任 葦，王君利，李國(guó)英

（1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安市 710003；2.南京水利科學(xué)研究院，南京市 210003)

0 引言

河床巨厚覆蓋層是指堆積于河谷之中，厚度大于40m的第四紀(jì)松散堆積物［1］，資料顯示(見表1)，西藏多布水電站建成以前，軟基上中國(guó)最高的擋水建筑物為大渡河一級(jí)支流瓦斯河上的小天都水電站，該電站裝機(jī)容量為240MW，泄洪排沙閘高39m［2］?；A(chǔ)覆蓋層深度最大的是江邊水電站，為109m，裝機(jī)容量為330MW，閘壩最大高度32m［3］。國(guó)外覆蓋層基礎(chǔ)上修建重力式混凝土閘壩資料較少，原蘇聯(lián)的古比雪夫水電站位總裝機(jī)容量為2300MW，最大壩高為45m，基礎(chǔ)為48m厚黏土層［4］，工程效果良好。

表1 國(guó)內(nèi)外部分深厚覆蓋層上水電建筑物統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of hydropower structures built on giant-thick overburden both at home and aboard

在中國(guó)西南地區(qū)，特別是西藏地區(qū)河床覆蓋層分布尤為廣泛，一般厚度均在100m以上，局部地區(qū)厚度可達(dá)300～600m不等，該區(qū)域覆蓋層分布規(guī)律性差，結(jié)構(gòu)和級(jí)配變化大［5］，這些覆蓋層上重力閘壩的沉降控制問題突出，本文依托西藏多布水電站(建成照片見圖1)，河床擋水廠房壩段高54.3m，基礎(chǔ)覆蓋層厚度達(dá)360m，水庫(kù)正常蓄水位3076.00m，相應(yīng)庫(kù)容6500萬(wàn)m3。電站總裝機(jī)容量120MW，樞紐工程主要由河床土工膜砂礫石壩、8孔泄洪閘、2孔生態(tài)放水孔、發(fā)電廠房、左副壩及魚道等建筑物組成［13］。

圖1 多布水電站工程下游建成照片F(xiàn)igure 1 Photo taken at D/S of the Duobu HPP Built

1 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］第8.3.6條的規(guī)定，土質(zhì)地基允許最大沉降量和最大沉降差，應(yīng)以保證水閘安全和正常使用為原則。天然土質(zhì)地基上水閘地基最大沉降量不宜超過15cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5cm，對(duì)廠房壩段，根據(jù)SL 266—2014《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］，非巖基上廠房地基允許最大沉降量和沉降差，應(yīng)以保證廠房結(jié)構(gòu)安全和機(jī)組正常運(yùn)行為原則。按機(jī)組運(yùn)行安裝對(duì)土建結(jié)構(gòu)的傾斜率要求，確定廠房上下游控制沉降差不大于4cm，同時(shí)參照GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［16］第5.3.4條的規(guī)定復(fù)核綜合考慮，確定下游沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不大于4cm標(biāo)準(zhǔn)是合理的。

2 沉降控制技術(shù)

2.1 不同水工建筑物差異化地基處理技術(shù)

該工程建筑物中，廠房壩段為最高混凝土建筑物，基底最大壓應(yīng)力0.56MPa，而相鄰的泄洪閘高度僅為26.5m，基底最大壓應(yīng)力0.403MPa，相鄰建筑物基底應(yīng)力相差30%，均需要針對(duì)不同上部結(jié)構(gòu)及地基條件進(jìn)行差異化處理。

1～6號(hào)泄洪閘基礎(chǔ)處理參考石佛寺、福堂、陰坪、金康等類似工程經(jīng)驗(yàn)，采用振沖碎石樁方案進(jìn)行基礎(chǔ)處理。采用ZCQ-132kW振沖器，實(shí)際樁徑為1.5m，等邊三角形布置，間距2.5m，面積置換率為0.16，單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)的承載力特征值為942kPa，檢測(cè)的3根淺層平板靜載荷試驗(yàn)的地基承載力特征值為380kPa。試驗(yàn)結(jié)果表明單樁承載力、地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。7～8號(hào)泄洪閘及生態(tài)放水孔處于強(qiáng)弱地基處理的過渡段，回填后基礎(chǔ)進(jìn)行旋噴樁處理。

廠房壩段最大高度54.3m，2個(gè)機(jī)組為一個(gè)壩段，廠房壩段沿順?biāo)鞣较蚩梢暈槿糠郑哼M(jìn)水口段、機(jī)組段、尾水管段。廠房地基為砂礫石層。廠房屬于擋水建筑物，垂直、水平承載力大，同時(shí)受機(jī)組振動(dòng)影響較大 ，為此，該工程引入建筑行業(yè)長(zhǎng)短樁設(shè)計(jì)理念，原灌注樁作為長(zhǎng)樁，樁長(zhǎng)25m；灌注樁間增設(shè)旋噴樁作為短樁，旋噴樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)10m，間排距2.2m，經(jīng)復(fù)核滿足設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)場(chǎng)灌注樁靜載試驗(yàn)顯示，單樁承載力達(dá)到1200t，大于設(shè)計(jì)要求的900t。

2.2 混凝土分區(qū)限高差澆筑沉降控制技術(shù)

不考慮施工順序時(shí)，根據(jù)沉降計(jì)算分析最大沉降量約8.2cm，總沉降量均滿足規(guī)范允許15cm的控制標(biāo)準(zhǔn)，但相鄰建筑物最大沉降差為3.9cm，雖然滿足5cm的沉降差限值，但仍然偏大，易造成止水變形破壞，本文提出了一種混凝土分區(qū)限高差澆筑變形控制技術(shù)，確保各建筑物沉降差均能滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合實(shí)際施工條件，提出施工工序?yàn)椋簭S房壩段首先施工至3062.00m，然后施工上下游擋墻及墻后填土，最后依次施工泄洪閘、左副壩、廠房上部，同時(shí)確保各建筑物澆筑頂部高差不超過6m。

2.3 超深厚軟基適應(yīng)變形止水組合關(guān)鍵技術(shù)

為解決該工程軟基變形帶來的防滲墻間止水可靠連接關(guān)鍵技術(shù)難題，創(chuàng)新組合了一套理論——“廣義塑性計(jì)算理論”、一套標(biāo)準(zhǔn)——“水工建筑物止水分區(qū)檢查處理標(biāo)準(zhǔn)”、四項(xiàng)發(fā)明——“一種防滲墻頂部凹槽止水結(jié)構(gòu)”［17］、“連接板與防滲墻縫間連接的SR止水結(jié)構(gòu)及其止水方法”［18］、“一種水電站廠房連接板基礎(chǔ)群孔回填灌漿工藝”［19］、“一種混凝土防滲墻”［20］等組合關(guān)鍵技術(shù)。

3 考慮應(yīng)力路徑的廣義塑性本構(gòu)模型三維有限元應(yīng)力應(yīng)變分析

3.1 考慮應(yīng)力路徑的廣義塑性本構(gòu)模型理論

多布水電站左岸混凝土閘壩建基于開挖后的覆蓋層上，基礎(chǔ)地面以上開挖的土層厚度達(dá)61m，其土體應(yīng)力大于建筑物加載引起的附加應(yīng)力，本次分析采用廣義塑性理論，該模型的優(yōu)勢(shì)在于能夠反映覆蓋層土體的強(qiáng)度非線性、剪脹非線性特征，能夠適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)力加載路徑，并能夠考慮土體的加載歷史，客觀反映土體的超固結(jié)特性。該模型建立的過程如下：

在彈塑性模型中，總應(yīng)變?cè)隽靠梢苑纸鉃閺椥詰?yīng)變?cè)隽亢退苄詰?yīng)變?cè)隽咳缡?1)：

式中 ?εij——總應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

?εeij——彈性應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

?εpij——塑性應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

粗粒土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為：

式中?σ——應(yīng)力增量；

Dep——彈塑性矩陣。

廣義塑性模型的彈塑性矩陣可以表示為：

式中De——彈性矩陣；

Dp——塑性矩陣；

ngL/U——加載或卸載時(shí)的塑性流動(dòng)方向；

n——加載方向；

HL/U——加載或卸載時(shí)的塑性模量。

（1）塑性流動(dòng)方向。

廣義塑性模型中加載時(shí)的塑性流動(dòng)方向?yàn)?：

為了模擬所謂的粗粒土“卸載體縮”現(xiàn)象，將土體處于卸載時(shí)的塑性流動(dòng)方向定義為：

陳生水等人建議，對(duì)于土石材料，為了能夠反映剪脹性隨壓力的非線性減小規(guī)律， 推薦采用下式：

式中Md——材料由剪縮向剪脹過渡的相變應(yīng)力比，α一般取0.5。

式中ψ——考慮了顆粒破碎的剪脹特征摩擦角；ψ0和 ?ψ——反映剪脹特征摩擦角變化的參數(shù)。

（2）加載方向定義。

加載方向可以定義為式(9)：

其中，df可以定義為：

根據(jù)鄧肯等人提出堆石料強(qiáng)度非線性公式：

式中?——內(nèi)摩擦角；

?0和??——反映剪脹特征摩擦角變化的參數(shù)。

（3）塑性模量的定義。

對(duì)于無(wú)黏性顆粒材料，其等向壓縮規(guī)律可以由式(13)表示：

式中λ——壓縮參數(shù)；

κ——回彈參數(shù)；

m——一個(gè)材料參數(shù)；

pa——大氣壓力；

p0——參考?jí)毫Α?/p>

土石材料廣義塑性模型中，彈性模量建議為式（14）：

其中：泊松比υ一般認(rèn)為是常數(shù)0.3。

塑性模量的定義是根據(jù)等向壓縮試驗(yàn)的模量再加入考慮了剪切破壞的項(xiàng)得到的，根據(jù)Nakai的建議，砂土或者是粗粒土的等向壓縮規(guī)律可以由式(13)描述。

等向壓縮過程中的塑性模量可以由上式取微分形式得到，即對(duì)式(13)微分得到下式：

考慮到土顆粒的剪脹性和剪切效應(yīng)后，可以將式(15)改進(jìn)為一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的塑性模量表達(dá)式，表達(dá)為下式：

式(16)是在對(duì)多組粗粒土預(yù)測(cè)計(jì)算中逐步改進(jìn)得到的，通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明上式對(duì)粗粒土各應(yīng)力路徑（如常規(guī)三軸、等P應(yīng)力路徑、等應(yīng)力比路徑）均能較好描述。

廣義塑性模型的建立除了反映單調(diào)加載下材料的力學(xué)性質(zhì)外，還具有反映材料復(fù)雜加載、卸載下力學(xué)行為的能力，可反映土體的加載歷史（如超固結(jié)、循環(huán)加卸載等應(yīng)力路徑），但是需要對(duì)不同的加載狀態(tài)采用不同的塑性模量形式。通常，卸載模量和再加載模量是連加載模量的基礎(chǔ)上改造得到的。一般地，土體卸載后的再加載模量可以定義為式（17）：

其中：

式（17）對(duì)式（16）的改造是基于兩方面的考慮。新加第一項(xiàng)HDM是為了反映卸載—再加載時(shí)塑性模量增大的現(xiàn)象即土體變硬，它就相當(dāng)于在邊界面模型中的映射現(xiàn)象。新加的第二項(xiàng)Hden是為了反映不斷地循環(huán)加載時(shí)塑性模量隨著塑性應(yīng)變累積逐步增大，塑性應(yīng)變逐步累積并達(dá)到穩(wěn)定的“棘輪效應(yīng)”，這一項(xiàng)在邊界面模型中對(duì)應(yīng)于正常固結(jié)屈服面在循環(huán)過程中的逐步擴(kuò)張，這里沿用土力學(xué)中概念定義覆蓋層超固結(jié)參數(shù)OCR=σz,max/σz，其中σz,max為歷史最大豎向應(yīng)力，σz為當(dāng)前豎向應(yīng)力。

同時(shí)，應(yīng)該定義一個(gè)土體卸載時(shí)的塑性模量以反映土體在卸載時(shí)產(chǎn)生的變形，卸載模量可以定義為：

以上各式中，γDM、γd、ηu為三個(gè)反映循環(huán)加載的參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)的確定需要根據(jù)加卸載試驗(yàn)得到。

通過以上的定義不難看出廣義塑性模型的優(yōu)勢(shì)，其不但能夠反映土體單調(diào)加載時(shí)的應(yīng)力路徑，而且能夠在一定程度上反映土體的加載歷史。由式（17）可以看出，當(dāng)歷史最大應(yīng)力為當(dāng)前應(yīng)力時(shí)再加載，模量與初始加載模量相同，但是當(dāng)歷史最大應(yīng)力大于當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)時(shí)再加載模量則大于初始加載模量，能夠反映出超固結(jié)土模量增高的特點(diǎn)。同時(shí)也可以直接初始狀態(tài)中定義超固結(jié)度指標(biāo)考慮覆蓋層地基開挖形成的類超固結(jié)特性。

3.2 考慮應(yīng)力路徑的廣義塑性本構(gòu)模型理論

三維計(jì)算成果表明，竣工期和蓄水期混建筑物最大沉降量為74mm，相鄰建筑物沉降差最大值為16mm。另外，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果表明，多布水電站采用的施工次序能夠有效控制建筑物之間的沉降差，基礎(chǔ)處理后，樞紐建筑物實(shí)測(cè)最大沉降量為69mm，發(fā)生在安裝間壩段，廠房最大沉降量為66mm，相鄰建筑物沉降差最大值為26mm，廠房上下游沉降差最大值1.3cm，均在設(shè)計(jì)預(yù)期范圍內(nèi)，即混凝土建筑物單體沉降不超過150mm，相鄰壩段沉降差不超過50mm，廠房上下游沉降差不超過40mm的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。各建筑物沉降差滿足中國(guó)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265—2001）要求。根據(jù)多布水電站施工及運(yùn)行一年的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證研究，對(duì)比結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算成果基本一致。

4 結(jié)論

本文依托復(fù)雜巨厚覆蓋層上最高閘壩多布水電站工程，針對(duì)復(fù)雜巨厚覆蓋層高閘壩的沉降控制關(guān)鍵問題進(jìn)行深入論述，提出了能夠保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和結(jié)構(gòu)安全的不均勻沉降和沉降標(biāo)準(zhǔn)，主要關(guān)鍵技術(shù)包括不同水工建筑物差異化地基處理技術(shù)措施和范圍、混凝土分區(qū)限高差澆筑沉降控制技術(shù)和隨層澆筑連續(xù)不間斷變形監(jiān)測(cè)等系列關(guān)鍵技術(shù)。另外，文章創(chuàng)新性提出了考慮應(yīng)力路徑的廣義塑性本構(gòu)模型，該模型能夠反映覆蓋層土體的強(qiáng)度非線性、剪脹非線性特征，適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)力加載路徑，客觀反映土體的超固結(jié)特性，根據(jù)多布水電站施工及安全運(yùn)行一年的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算成果基本一致，表明研究所采用的本構(gòu)模型和計(jì)算方法是有效和合理的，采取的工程措施和處理范圍是合適的，為同類工程提供了有效的分析思路。