(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司云南分院，云南 昆明 650000)

1 引 言

土石壩可充分利用當?shù)夭牧希?jié)約投資，且地基適應能力強。黏土心墻堆石壩是土石壩中較為常見的一種，若出現(xiàn)黏土心墻與堆石料之間產(chǎn)生過大的沉降差，心墻填筑質(zhì)量較差，局部不密實等情況，則可能導致心墻產(chǎn)生裂縫，進而引起集中滲漏，影響大壩安全運行，乃至潰壩。實踐證明：土石壩的沉降主要受應力狀態(tài)和時間的影響，而且土石壩填筑和蓄水壓力對于流變分量(時間分量)兩者之間有耦合影響[1]。因此，在設計比選階段，采用合適的計算模型對土石壩應力變形進行模擬分析是十分必要的，有助于初步了解其變化情況，并有針對性地布設監(jiān)測設施，為施工、運行及設計提供有價值的監(jiān)測資料。

紙廠水庫位于云南省永德縣，大壩設計為黏土心墻堆石壩，本文對壩體應力變形的流固耦合模式模擬計算及相應滲流和變形安全監(jiān)測設計進行分析與評價，以期為類似工程設計提供啟示。

2 大壩設計簡介

2.1 工程地質(zhì)及地震動參數(shù)

紙廠水庫大壩壩址左、右岸殘坡積覆蓋層Qedl為含碎塊石礫砂粉質(zhì)黏土、碎石黏土，厚2.5～4.0m，中等透水。河床部位洪沖積覆蓋層Qpal為卵礫石砂土，卵礫石含量占40～50%，偶夾灰?guī)r，結構松散，厚0.5～2.5m，中等透水。覆蓋層下伏基巖為石炭系下統(tǒng)平掌組下段(C1p1)安山玄武巖、深灰色片理化蝕變安山玄武巖。以河谷為界，兩岸巖體結構不同，左岸為黃褐色安山玄武巖，可見原生節(jié)理面，透水性較好，風化作用強烈，全風化層厚8～10m，強風化底界埋深大于40m。右岸因與灰?guī)r地層接觸帶相鄰，產(chǎn)生接觸變質(zhì)作用，片理化現(xiàn)象突出，透水性弱，風化作用較左岸弱，全風化層厚7～9m，強風化底界埋深20～22m。工程區(qū)土料、石料豐富，選定黏土料場和堆石料場運距均不超過0.7km。

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，工程按Ⅷ度設防。

2.2 壩體設計

經(jīng)技術經(jīng)濟比選，大壩設計為黏土心墻堆石壩，壩頂高程2275.30m，最大壩高47.9m。黏土心墻頂高程2274.80m，頂寬3m，最大底寬26.2m，上、下游坡比1∶0.25。心墻與堆石料之間設反濾、過渡層，水平厚均為1.5m。大壩上游壩坡為一級坡，坡比1∶1.75；下游壩坡為二級坡，在變坡處設2.0m寬戧臺，坡比1∶1.7。大壩典型設計剖面如圖1、圖2所示。

圖1 大壩壩軸線剖面布置

圖2 大壩典型橫剖面

3 大壩應力變形模擬計算

3.1 流固耦合計算模式簡介

FLAC3D利用顯示差分方法來求解運動方程以及動力方程，能夠進行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實際結構，并采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術，準確地模擬材料的塑性破壞和流動[2]。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能求解大范圍的三維問題。計算流程包括構建模型、模擬求解和輸出計算結果。

其中，為描述流體和固體的耦合特性，F(xiàn)LAC3D滲流模型可與固體模型并行計算。固結是一種流固耦合現(xiàn)象，在固結過程中，孔隙隨壓力消散而導致固體位移。此行為包含兩種力學效應：?孔隙水壓力的改變導致有效應力改變，進而影響固體的力學性能，例如有效應力的降低可能引發(fā)塑性屈服；?土體中的流體對孔隙體積的變化產(chǎn)生反作用，表現(xiàn)為孔隙水壓力的變化。

3.2 模型構建

紙廠水庫大壩底寬172m，最大壩高47.9m。計算網(wǎng)格模型包含10個類別，將大壩分為堆石料區(qū)(bianpozuo、bianpoyou、badi1、badi2)、壩基強風化區(qū)(tubadi)、黏土心墻區(qū)(baxin、badi3)、反濾料區(qū)(lvcengzuo、lvcengyou)，以及防滲帷幕灌漿區(qū)(zhuang)等5個區(qū)，如圖3所示。計算模型與設計尺寸基本一致。

圖3 計算模型

3.3 參數(shù)選取

計算模型中滲透系數(shù)及材料的物理力學指標采用地質(zhì)建議值，見表1；彈性模量、體積模量等參數(shù)由類似工程換算得到[3]，見表2。

表1 大壩滲透系數(shù)及各區(qū)的物理力學指標

表2 彈性模型參數(shù)

3.4 計算方案

計算方案考慮兩種工況：

a.蓄水前的初始應力和沉降變形狀態(tài)及孔壓場，計算云圖如圖4～7所示。

圖4 初始應力計算的豎向應力云圖

圖5 初始應力計算的剪切應力云圖

圖6 初始應力計算的沉降量云圖

圖7 初始應力計算的孔壓云圖

從圖4～5可知，壩體底部心墻軸線兩側(cè)的豎向應力和剪應力最大。從圖6可知，黏土心墻形心區(qū)域(0,0,60)和堆石料形心區(qū)域(-40,0,60)分別沉降276mm、114mm，平均沉降差為162mm。圖7中帷幕灌漿區(qū)域亦考慮了孔隙水壓力。

b.蓄水后水壓力對模型應力的影響。此時流體模式處于關閉狀態(tài)，因此模型中的孔壓場不隨面荷載的影響而改變。計算結果顯示：最大剪應力略有增加，但最大應力區(qū)域位置不變；最大水平位移16mm，沉降主要發(fā)生在黏土心墻區(qū)，黏土心墻形心區(qū)域(0,0,60)沉降79mm，堆石料形心區(qū)域(-40,0,60)沉降23mm，平均沉降差為56mm。

3.5 成果小結

計算結果表明，壩體底部為高應力區(qū)，沉降主要發(fā)生在黏土心墻區(qū)，大壩在蓄水運行期，水平位移很小，大壩穩(wěn)定性較強。大壩在自重和水壓作用下，黏土心墻形心區(qū)域(0,0,60)沉降量為355mm，堆石料形心區(qū)域(-40,0,60)沉降量為137mm，平均沉降差為218mm。量值均不大。

4 安全監(jiān)測設計

壩體結構設計時，已按規(guī)范在黏土心墻與堆石料之間設置了反濾、過渡層，在不均勻沉降出現(xiàn)時，可協(xié)調(diào)相鄰兩側(cè)壩料變形。同時，在黏土心墻出現(xiàn)裂縫時，心墻下游側(cè)的反濾層能確保土顆粒不被大量帶出，有利于裂縫自行愈合。但若要及時發(fā)現(xiàn)不均勻沉降、裂縫等缺陷，合理布設安全監(jiān)測設施尤為重要。

研究表明，滲流監(jiān)測成果直接反映心墻是否產(chǎn)生裂縫，而變形可對裂縫成因及發(fā)生過程進行描述[4]。而且監(jiān)測成果還可驗證計算及設計的合理性，為工程處理提供必要而科學的數(shù)據(jù)支持。根據(jù)計算結果，結合規(guī)范要求，紙廠水庫大壩安全監(jiān)測設計包括滲流和變形，平面布置如圖8所示。

a.滲流監(jiān)測。沿河床最大壩高剖面(壩0+110.00m)、左、右岸1/2壩高剖面(壩0+060.00m、壩0+160.00m)，壩軸線下游側(cè)共布設9根測壓管，編號UP01～UP09，距壩軸線水平距離17.5～77.5m，以監(jiān)測壩體壩基滲流壓力。同時，在下游壩腳縱向排水溝出口處設1座三角形量水堰，編號WE01，測量壩體壩基滲流量。

b.變形監(jiān)測。在大壩表面平行壩軸線方向布設4條測線，共10個水平兼垂直位移測點，編號TP01～TP10，其中壩頂軸線上、下游側(cè)各1條，距壩軸線均為3.5m，下游壩坡2條，距壩軸線分別為41.5m、83.5m。另外，在左、右岸山體表面共布設3個工作基點，編號JCW01～JCW03。水平位移監(jiān)測采用交會法，垂直位移監(jiān)測采用三角高程法。

圖8 大壩安全監(jiān)測平面布置

5 結 語

a.采用流固耦合模式進行土石壩應力變形分析是切實可行的，計算成果可為壩體安全監(jiān)測等設計提供科學依據(jù)。該工程模型計算的不足之處在于彈性模量、體積模量等部分參數(shù)的選取是源于類似工程，但仍能為工程的初步設計與施工處理提供參考。

b.模擬計算結果表明：紙廠水庫大壩黏土心墻堆石壩的應力應變符合一般規(guī)律，壩體應力和變形性態(tài)較好，黏土心墻最大沉降量355mm，占壩高的0.74%；心墻與堆石料之間沉降差為218mm。沉降量和沉降差均不大。

c.結合FLAC3D成果和規(guī)范要求，設計布置了測壓管、量水堰和變形監(jiān)測設施，適時監(jiān)控大壩工作性態(tài)。

d.建議嚴格控制黏土心墻的施工質(zhì)量。在施工前，進行現(xiàn)場壩料碾壓試驗，根據(jù)設計指標，確定碾壓參數(shù)，并結合碾壓前后的試驗結果，改進施工工藝，盡可能減小壩體沉降。