袁上豐，陳建康，張 瀚，王萬千，盧 祥，周正軍

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065;2．四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065;3.國家能源集團(tuán)國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610047；4.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

0 研究背景

隨著西部大開發(fā)及西電東送發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和筑壩技術(shù)的發(fā)展，我國西南部地區(qū)目前在建和擬建壩高100～200 m量級(jí)的堆石壩已有10座以上[1]，對于這些重大水利水電工程，充分保證其安全性是進(jìn)行工程建設(shè)的核心問題。然而，我國西南部地區(qū)河流中深厚覆蓋層普遍發(fā)育，壩體往往建于深厚覆蓋層上，在這種復(fù)雜地基條件上，如何科學(xué)把控這些高壩工程運(yùn)行中的變形特性具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[2]。

工程經(jīng)驗(yàn)表明，過大的后期變形通常是導(dǎo)致堆石壩裂縫等破壞現(xiàn)象的主要原因[3]。為此，針對高心墻堆石壩的變形特性問題，大量科研人員通過理論或試驗(yàn)、數(shù)值模擬等不同方法對高心墻堆石壩的變形特性進(jìn)行了研究[4-7]。而對于建立在深厚覆蓋層上的高心墻堆石壩來說，其變形的影響因素除壩體分區(qū)、材料特性、壩體結(jié)構(gòu)等影響外，還與河谷地形、壩高及覆蓋層厚度等因素密切相關(guān)[8,9]。褚福永[10]已采用三維有限元方法對比分析了不同河谷寬高比時(shí)竣工期心墻堆石壩的應(yīng)力和變形。目前，對于深厚覆蓋層上的高心墻堆石壩，關(guān)于覆蓋層的厚度與壩高對堆石壩變形特性的影響規(guī)律分析的研究資料較少，尚缺乏系統(tǒng)性的分析。為此，針對這一問題，本文利用三維有限元數(shù)值模擬方法，根據(jù)已建多座高心墻堆石壩壩高及地基厚度情況，及其壩體、地基材料力學(xué)參數(shù)，按照不同壩高與覆蓋層厚度擬定了20種計(jì)算方案，探求了在復(fù)雜地基下對高心墻堆石壩壩體變形特性及量值與壩高、覆蓋層厚度之間響應(yīng)關(guān)系。

1 研究方案

1.1 方案設(shè)計(jì)

表1中統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)多個(gè)高心墻堆石壩工程的壩高及覆蓋層厚度[11]。由統(tǒng)計(jì)可知，我國大部分高心墻堆石壩都分布在我國西南地區(qū)。對西南地區(qū)的主要河流覆蓋層深度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[12,13]，覆蓋層在我國西南地區(qū)流域如金沙江、岷江、雅礱江、大渡河中普遍發(fā)育，深度多分布在100 m范圍內(nèi)，局部地區(qū)達(dá)到100 m以上，且覆蓋層在物質(zhì)組成上存在一定的共性[14]。

表1 國內(nèi)覆蓋層上的高心墻壩工程Tab.1 High core rockfill dams on the overburden in China

從表1的統(tǒng)計(jì)可知，目前國內(nèi)高心墻壩的壩高分布范圍大致在100～200 m內(nèi)，200 m以上建成數(shù)量較少，因此探討100級(jí)及200級(jí)大壩變形在不同覆蓋層厚度的特征及區(qū)別很有必要。于是，擬定100、140、180、250 m 4種典型壩高，再結(jié)合西南片區(qū)地基情況，擬定 0、30、60、90、120 m 5種情況的覆蓋層厚度，每種壩高分別對應(yīng)5種覆蓋層厚度，共20種方案。具體計(jì)算方案見表2。

表2 高心墻堆石壩變形計(jì)算方案Tab.2 High core rockfill dam deformation calculation plans

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)規(guī)范《碾壓土石壩規(guī)范》SL276-2001中建議，再對國內(nèi)外已建或在建的100 m以上的多個(gè)高心墻堆石壩橫斷面尺寸統(tǒng)計(jì)可知，250 m以下土石壩頂寬度一般在10～20 m之間，多數(shù)為15 m左右；上游壩坡坡率為1∶1.7～1∶2.7，下游壩坡坡率為1∶1.5～1∶2.5，多數(shù)在1∶2左右。直心墻坡率多為1∶0.2左右。根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)，按如下方式設(shè)計(jì)斷面尺寸：大壩頂寬為15 m，上下游壩坡坡率均取1∶2.0；直心墻坡率上下游均取1∶0.2。河谷剖面選取采用典型的平直河谷，模型采用分層加載方式逐級(jí)填筑，按壩高不同分別以10～15 m不等的加載層高進(jìn)行加載，水荷載以3級(jí)加載方式依次加載于壩體心墻上游面之上。模型三維有限元網(wǎng)格示意圖見圖1～圖2。

1.3 參數(shù)選取

大壩土料及基礎(chǔ)本構(gòu)模型采用鄧肯-張E-B模型。由于對土石壩變形特性影響最大的材料主要有：壩體主次堆石、壩體心墻料、河床覆蓋層，為此分析了獅子坪、瀑布溝、糯扎渡、水牛家等5個(gè)工程的壩體，地基材料參數(shù)。其計(jì)算所用的參數(shù)中，壩殼堆石、過渡層和反濾層是根據(jù)以上5個(gè)工程類比而選定的，其余均的則是根據(jù)試驗(yàn)成果，并參照已建工程所采用的參數(shù)確定的，最后選取表3非線性計(jì)算參數(shù)作為模型的計(jì)算參數(shù)。

圖1 心墻堆石壩三維有限元網(wǎng)格圖Fig.1 Three-dimensional finite element mesh diagram of core rockfill dam

圖2 心墻堆石壩大壩網(wǎng)格圖Fig.2 Core rockfill dam grid diagram

表3 心墻堆石壩變形計(jì)算參數(shù)表Tab.3 Core rockfill dam deformation calculation parameter table

2 結(jié)果分析

2.1 壩體變形特性分析

對上述方案下的堆石壩體進(jìn)行三維有限元計(jì)算。分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于不同的壩高，不同厚度覆蓋層下，變化規(guī)律基本一致：順河向變形量值下游大于上游，最大水平變形發(fā)生在下游堆石區(qū)1/3高程偏心墻處；沉降變形量值上游略大于下游，最大沉降出現(xiàn)在壩高1/3～1/2心墻區(qū)域。這種規(guī)律是由分層碾壓、填筑材料物理力學(xué)特性的非線性、水荷載和壩體結(jié)構(gòu)形態(tài)等共同作用形成的。圖5、圖6給出了壩高為250 m，覆蓋層厚度為120 m方案下最大橫剖面順河向水平位移和沉降等值線圖。

圖3 最大橫剖面順河向水平位移等值線圖(H=250 m，h=120 m)(單位：m)Fig.3 Maximum cross-sectional horizontal displacement contour map(H=250 m,h=120 m)

圖4 最大橫剖面沉降等值線圖(H=250 m，h=120 m)(單位：m)Fig.4 Maximum cross-section settlement contour map(H=250 m,h=120 m)

2.2 覆蓋層厚度影響規(guī)律分析

為進(jìn)一步分析覆蓋層厚度對壩體變形的影響，圖5(a)～(d)給出了對于相同壩高下最大橫剖面隨覆蓋層厚度的變化規(guī)律。從圖5可以看出：①三向位移量總體隨著覆蓋層厚度的增加而增加，另外由于大壩沉降是大壩與地基沉降共同的作用，順河向變形主要以壩體變形為主，因此覆蓋層厚度變化對大壩沉降影響遠(yuǎn)大于順河向變形；②不同壩高覆蓋層變化對變形的影響關(guān)系不完全一致，在壩高180 m以下，變形隨著覆蓋層增大其增幅也變大，當(dāng)覆蓋層在250 m時(shí)，變形隨著覆蓋層增大增幅減小，究其原因認(rèn)為，當(dāng)大壩高于一定高度時(shí)，沉降變形中壩體沉降影響逐漸增大，外加壩體自重載荷對地基壓縮的影響隨應(yīng)力沿程耗散而漸趨收斂，這時(shí)就出現(xiàn)在高壩時(shí)覆蓋層達(dá)到一定厚度時(shí)增幅減緩的情況。

2.3 壩高影響規(guī)律分析

圖6(a)～(e)給出了對于相同覆蓋層厚度最大橫剖面位移隨壩高的變化規(guī)律。從圖6可以看出：①三向位移量總體隨著壩高的增加而增加，由于壩高增加帶來垂向壓縮量大于側(cè)向變形量，水荷載會(huì)產(chǎn)生水平向推力會(huì)使大壩向順河向移動(dòng)，因 此沉降受壩高變化影響比順河向大，下游順河向水平位移增幅略大于上游。②壩高變化對變形的影響關(guān)系不完全一致，在覆蓋層在100 m以下時(shí)，隨著壩高增大其變形的增幅也變大，當(dāng)覆蓋層在120 m時(shí)，隨著壩高增大其變形增幅減小，查看了計(jì)算地基變形量值，初步分析認(rèn)為，由于上部荷載對地基的影響在一定范圍，會(huì)隨著覆蓋層加深而減弱，并且衰減不是線性，到達(dá)一定深度會(huì)加速衰減，當(dāng)覆蓋層較淺時(shí)，由于我們分析的都是100 m級(jí)高壩，荷載還沒完全進(jìn)入快速衰減區(qū)，壩高荷載影響范圍在覆蓋層內(nèi)基本屬于強(qiáng)區(qū)域，當(dāng)覆蓋層較深時(shí)，壩高荷載影響范圍基本在覆蓋層內(nèi)，但壩高到一定程度，壩高荷載影響范圍超過覆蓋層厚度，因此隨壩高增加增幅會(huì)有所減少。

圖5 不同壩高H下位移隨覆蓋層厚度變化曲線圖Fig.5 Curves of displacement with thickness of overburden under different dam heights

圖6 不同覆蓋層厚度h下位移隨壩高變化曲線圖Fig.6 Curve of displacement with dam height under different thickness of overburden

3 結(jié) 論

通過對本文各方案計(jì)算成果的對比分析，可以得到以下主要結(jié)論。

(1)不同壩高不同覆蓋層的變形規(guī)律基本一致，順河向變形量值下游大于上游，最大水平變形發(fā)生在下游堆石區(qū)1/3高程偏心墻處；沉降變形量值上游略大于下游，最大沉降出現(xiàn)在壩高1/3～1/2心墻區(qū)域。

(2)壩高、覆蓋層厚度與堆石壩的變形量值呈正響應(yīng)關(guān)系，其中對沉降變形的影響大于水平向，但不同壩高及不同覆蓋層與堆石壩的變形量之間的響應(yīng)關(guān)系不完全一致，初步分析原因認(rèn)為主要是壩體自重載荷對地基壓縮影響隨著應(yīng)力沿程耗散而逐漸收斂，影響具有一定范圍，這個(gè)范圍引線并不是線性的，因此響應(yīng)關(guān)系會(huì)與壩高及覆蓋層厚度之間的比值有關(guān)。同時(shí)這現(xiàn)象也證明了高心墻堆石壩對覆蓋層具有一定的適應(yīng)能力，地基處理時(shí)應(yīng)根據(jù)壩高不同制定方案，更重視上層覆蓋層的處理。

(3)目前碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL.T5395-2007)，主要根據(jù)100 m以下的壩統(tǒng)計(jì)制定了“土質(zhì)防滲體分區(qū)壩竣工后的壩頂沉降量不宜大于壩高的1%”，認(rèn)為超過該標(biāo)準(zhǔn)壩體容易開裂，在計(jì)算的20個(gè)方案中，僅有方案1.1、1.2、2.1的沉降值占?jí)胃叩谋壤闯^1%，其余方案沉降值占?jí)胃弑壤^1%，結(jié)合監(jiān)測資料來看，很多大壩也超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并且從前面分析，大壩的沉降量值應(yīng)綜合考慮壩高和覆蓋層厚度，因此針對高壩這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)取值還需進(jìn)一步研究。

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