徐向東，蘇 凱，陳怡菡

(1. 新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2. 武漢大學(xué)海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072)

1985年開工建設(shè)的西北口面板堆石壩(壩高95 m)開啟了中國現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的建設(shè)篇章[1-2]，經(jīng)過40多年的發(fā)展，混凝土面板堆石壩已經(jīng)充分展示了其在安全性、經(jīng)濟性和良好的適應(yīng)性等方面的優(yōu)越性，表現(xiàn)出來了極強的競爭性，建壩數(shù)量和建壩高度都取得了快速發(fā)展，全世界已建的面板堆石壩接近400座，其中國內(nèi)已建和在建的100 m級高面板壩近40座，并有多座200 m級面板壩[2-3]?；炷撩姘宥咽瘔蔚闹饕こ虇栴}是壩體變形過大引起面板接縫變形過大而導(dǎo)致止水結(jié)構(gòu)破壞，或壩體變形過大引起混凝土面板開裂或者破壞，變形問題特別是對面板及其接縫位移的控制是面板壩設(shè)計的主要技術(shù)問題之一[4-6]。對不同工況下壩體變形特性及變形控制措施進行研究，使面板接縫變形值以及混凝土面板應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，是面板堆石壩成敗的關(guān)鍵[2,3,7,8]。

數(shù)值模擬是面板壩應(yīng)力變形研究的主要手段之一，近30年來，我國在面板壩數(shù)值模擬方面開展了大量的研究工作，在壩體本構(gòu)模型、接觸面模擬、計算參數(shù)、壩料流變特性和壩料濕化特性、壩體后期變形等方面取得了較為豐富的研究成果[9-17]。隨著天生橋1級、洪家渡、水布埡、紫坪鋪、吉林臺一級等面板壩建成運行，人們的認識水平有了進一步發(fā)展，以往研究中存在的問題和解決的思路也逐漸清晰[15,18-23]。堆石料的變形特性很復(fù)雜，壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計、壩料特性、級配特征、填筑密度、施工順序等都對壩體的應(yīng)力變形特性產(chǎn)生巨大影響，而新疆地區(qū)由于受限于當(dāng)?shù)氐墓こ探ㄖ牧?，更多的選用了砂礫石作為主要筑壩材料[24-26]，壩體的應(yīng)力變形特性體現(xiàn)了不同于普通堆石料筑壩材料的特性。本文針對這一問題，結(jié)合新疆將軍廟水庫工程實際，依次介紹了工程基本情況、壩基處理措施、筑壩材料特性等，并建立了對應(yīng)的數(shù)值計算模型，討論了竣工期和蓄水期間壩體的受力變形、面板的變形與接縫的張開等情況，論證了工程初步設(shè)計方案的可行，以期為同類工程提供參考。

1 工程背景

1.1 樞紐整體規(guī)劃與布置

將軍廟水庫是新疆奎屯河引水工程的重要組成部分，奎屯河引水工程位于新疆天山北坡中部，準噶爾盆地西南緣，奎屯市、烏蘇市和克拉瑪依市獨山子區(qū)境內(nèi)，奎屯河流域上游。由奎屯市、烏蘇市、克拉瑪依市獨山子區(qū)所組成的三角區(qū)域，被經(jīng)濟學(xué)家譽為新疆經(jīng)濟發(fā)展的“金三角”地區(qū)，是新疆維吾爾自治區(qū)西部大開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃的天山北坡經(jīng)濟帶三個區(qū)域經(jīng)濟中心之一，是新疆最具有發(fā)展?jié)摿Α⒅攸c扶持、率先發(fā)展的地區(qū)?？秃邮墙鹑堑貐^(qū)的最主要的水源，奎屯河引水工程直接向農(nóng)七師、奎屯市、烏蘇市、獨山子區(qū)供水，安全可靠的供水是“金三角”地區(qū)經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展的重要因素之一(見圖1)。

圖1 將軍廟水庫樞紐布置圖

1.2 大壩體型設(shè)計

將軍廟水庫大壩受限于當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)材料，選用了鋼筋砼面板砂礫石壩[24,26-27]，壩頂高程為1 446.5 m，防浪墻頂高程1 447.7 m，最大壩高133.0 m，壩頂長600 m，壩頂寬10 m，設(shè)有4.7 m高“L”型鋼筋砼防浪墻，上游壩坡為1∶1.7，下游壩坡采用1∶1.7與1∶1.5結(jié)合(兩級馬道以上坡度為1∶1.7兩級馬道以下坡度1∶1.5)，為滿足施工及運行期的觀測巡視要求，在下游坡設(shè)4級“之”字形上壩道路，路寬10 m，坡度8%，采用混凝土路面，最大斷面下游平均坡度約為1∶1.95。為提高壩體的抗震穩(wěn)定性，下游采取必要的處理措施，下游護坡自壩頂以下2級馬道間采用砼網(wǎng)格加伸入壩體的土工格柵25 m/10 m間隔布置，格柵層距1.6 m。漿砌石護坡厚0.4 m，下游其余壩坡均為厚度0.3 m的漿砌石護坡。下游壩坡在1 342.0 m高程以下設(shè)置拋石區(qū)，頂寬為3.0 m。邊坡1∶2.0采用超徑石填筑。

壩體堆石從上游向下游依次分為墊層區(qū)、壩殼砂礫料區(qū)、排水體區(qū)、開挖利用料區(qū)、拋石區(qū)。另外在面板迎水面底部設(shè)有上游粘土鋪蓋區(qū)和拋石蓋重區(qū)?；炷撩姘屙挪捎肅30F300W12，厚度0.4～0.85 m，單層雙向鋼筋。河床部位受壓區(qū)面板寬16 m共17塊，岸坡部位受拉區(qū)面板寬8 m，左岸8塊，右岸13塊，為適應(yīng)變形古河槽部位面板寬8 m，共16塊。大壩典型剖面圖如圖2所示。

1.3 壩基處理

左壩肩處理：①趾板及墊層基礎(chǔ)，將表面覆蓋層全部挖除并開挖至基巖弱風(fēng)化上部巖石上。趾板上游側(cè)巖石開挖永久邊坡采用1∶0.75，臨時邊坡1∶0.5，下游側(cè)開挖邊坡1∶1.5。②壩體基礎(chǔ)，壩體范圍內(nèi)全部清除兩岸卵礫石層、坡積碎石土層等覆蓋層。

河床段處理：①趾板及墊層基礎(chǔ)，將表面覆蓋層全部挖除并開挖至基巖弱風(fēng)化上部巖石上，巖石開挖永久邊坡采用1∶0.75，臨時邊坡1∶0.5。②壩體基礎(chǔ)，河床段壩基覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖積物厚10～14.0 m，需清除表層5 m松散覆蓋體，經(jīng)強夯處理后可作為壩體基礎(chǔ)。

右壩肩處理：古河槽處，全部清除古河槽表層約5～10 m的坡積物覆蓋層及下部5 m厚表層沖積物，經(jīng)基礎(chǔ)強夯后可作為趾板及壩體基礎(chǔ)。此處趾板寬度增加至10 m，趾板端部連接防滲墻深入基巖1 m形成封閉防滲體。防滲墻厚1 m，防滲墻沿軸線每兩米預(yù)埋帷幕灌漿導(dǎo)向管。防滲墻采用C35混凝土。經(jīng)強夯處理后可作為壩體基礎(chǔ)。其余部分趾板及壩體基礎(chǔ)處理與左壩肩同。

圖2 將軍廟水庫混凝土面板壩典型剖面圖

2 計算模型與材料參數(shù)

2.1 計算模型

本文采用有限元進行計算分析，其中計算中空間單元采用8結(jié)點六面體等參單元，為適應(yīng)壩體邊界的變化，邊界部分退化為三棱體或四面體單元。坐標系定義為：X為軸向，指向右岸為正，零點設(shè)置在樁號0+0.00剖面處；Y為順河向，指向下游為正，零點為壩軸線0+0.0位置；Z為垂直向，向上為正，以其高程為垂直向坐標值。將軍廟面板壩三維網(wǎng)格剖分如圖3，單元總數(shù)250 386個，結(jié)點總數(shù)253 142個。河床最大剖面0+220.0網(wǎng)格剖分以及右壩肩古河槽最大剖面0+400網(wǎng)格剖分如圖3。

圖3 有限元計算模型圖

2.2 計算方法

應(yīng)力變形計算采用基于總應(yīng)力法的非線性有限元方法。其中，堆石料模型采用Duncan E-B模型，Duncan E-B模型能較好地反映堆石料非線性、壓硬性等特點，該模型參數(shù)確定簡單，運用方便，所以在我國工程界得到廣泛應(yīng)用?；炷两Y(jié)構(gòu)采用線彈性模型，混凝土與土體之間采用接觸單元模擬其接觸性狀。

巖土工程中廣泛適用的接觸面單元是Goodman單元。Goodman單元概念清晰，接觸面本構(gòu)模型采用雙曲線模型，在一定程度上能反映接觸面的剪切特性，切向勁度系數(shù)可通過直剪試驗簡便得到，參數(shù)易確定，因此長期以來得到了廣泛應(yīng)用。由于接觸面之間往往是粗糙的，因此剪切破壞并不是發(fā)生在接觸面上，而多發(fā)生在附近土體中，在接觸面附近形成一個剪切錯動帶，這個剪切錯動帶內(nèi)土體的應(yīng)力變形性質(zhì)明顯不同與周圍土體，它代表了接觸面的特性。因此，采用有厚度的薄層單元能避免兩側(cè)的相互嵌入，也能更好地反映接觸面變形機理。

本文采用Goodman單元模擬混凝土面板與墊層之間接觸關(guān)系，采用薄層單元模擬防滲墻與周圍土體的接觸關(guān)系。

面板接縫采用連接單元模擬，其應(yīng)力與位移的關(guān)系表示為

(1)

式中：τyx為接縫連接單元順縫向剪應(yīng)力；σyy為接縫連接單元張拉方向正應(yīng)力；τyz為接縫連接單元垂直縫向剪應(yīng)力；δyx、δyy、δyz分別為周邊縫連接單元在剪切向、張拉向和沉陷三個方向的位移。至于勁度系數(shù)kyx、kyy和kyz，根據(jù)有關(guān)文獻采用表1所示的形式。

表1 連接單元勁度表達式

2.3 仿真計算過程

巖土材料的應(yīng)力變形特性不僅與其所受的荷載有關(guān)，而且與所經(jīng)受的應(yīng)力路徑密切相關(guān)，因此，在進行壩體應(yīng)力變形分析時必須嚴格按照設(shè)計提供的施工程序(壩體填筑、混凝土面板澆筑、蓄水等過程)進行模擬。大壩施工順序和蓄水過程如下：

第三年4月至10月進行趾板砼澆筑，4月開始大壩砂礫石填筑，5月開始壩體墊層排水料等填筑。第四年5月底壩體臨時斷面填至1 380 m高程，達到百年一遇洪水的壩體高程；面板澆筑至1 374 m。第五年5月底壩體斷面填至1 410.0 m高程，9月底壩體全斷面填至1 446.5 m高程；面板澆筑1 446.5 m。

面板分兩期澆筑，面板一期高程1 374 m，二期澆筑至1 446.5 m。計算時采用逐級加載的方法模擬壩體填筑、面板澆筑等施工工序，水庫蓄水運行過程通過水荷載分級施加進行模擬。填筑、蓄水過程共采用84個荷載級模擬。

2.4 材料參數(shù)

本工程對墊層區(qū)、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)砂礫料，以及覆蓋層砂卵礫石料開展了大型三軸剪切試驗，計算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)大型三軸試驗確定?，F(xiàn)階段墊層區(qū)按相對密度0.9設(shè)計，較前期試驗0.85有所提高，參數(shù)相應(yīng)提高，過渡區(qū)參數(shù)則類比墊層區(qū)、主堆石區(qū)參數(shù)經(jīng)驗確定。最后采用的參數(shù)如表2所示。

混凝土面板、趾板(C30)按線彈性材料考慮，計算參數(shù)為：ρ=2.45 g/cm3，E=30 GPa，μ=0.167；防滲墻(C35)計算參數(shù)為：ρ=2.45 g/cm3，E=31.5 GPa，μ=0.167。

混凝土面板與墊層之間的接觸面模型參數(shù)參考天生橋一期資料確定，具體為：K1=4 800，n=0.56，Rf=0.74，c=0，δ=36°。

表2 將軍廟水庫面板壩靜力計算參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 壩體應(yīng)力與變形

竣工期和蓄水期壩0+220剖面順河向變形和沉降計算結(jié)果見圖4，可以看出：竣工期，壩體最大上游向和下游向變形分別為17.9、16.9 cm，壩體最大沉降為62.3 cm。蓄水至正常蓄水位，壩體最大上游向變形減小至5.1 cm，最大下游向變形增至19.2 cm，最大沉降增至66.0 cm。蓄水期壩體最大沉降量值約占壩高的0.49%，發(fā)生在壩軸線、1 378 m高程(0.5壩高)處。

圖4 壩0+220剖面順河向變形和沉降等值線圖(單位：cm)

從計算結(jié)果可以看出：竣工期和蓄水期壩0+220剖面大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的最大值分別為2.13、0.79、2.29、0.85 MPa，詳見圖5。各階段，壩內(nèi)的應(yīng)力水平都不大，大部分在60%以內(nèi)，局部雖偏高，最大值達到0.8，但低于1，未達到塑性破壞程度，詳見圖6。

圖5 壩0+220剖面大、小主應(yīng)力等值線圖(單位：MPa)

圖6 壩0+220剖面應(yīng)力水平等值線圖(單位：%)

3.2 面板應(yīng)力變形

蓄水期面板的軸向變形和撓度分布如圖7所示，面板內(nèi)的軸向應(yīng)力和順坡向應(yīng)力分布如圖8所示。古河槽引起的拉應(yīng)力區(qū)已用陰影標出，可以看出：壩軸向變形雖總體上表現(xiàn)為由兩岸向河谷中央的擠壓，但受右壩肩古河槽的影響，在古河槽與基巖的交界處軸向變形減少，從而導(dǎo)致在該部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力區(qū)。同樣在順坡向，由于存在較大的差異沉降，在該部位出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力區(qū)。蓄水期面板指向右岸和指向左岸的軸向變形最大值分別為2.9 cm和2.6 cm，撓度最大值為27.7 cm；面板軸向壓、拉應(yīng)力最大值分別為6.65、1.36 MPa，順坡向最大壓、拉應(yīng)力最大值分別為5.03、1.14 MPa，面板應(yīng)力在混凝土強度允許范圍內(nèi)，混凝土面板不會發(fā)生拉壓破壞。

圖7 蓄水期面板變形等值線圖(單位：cm)

圖8 蓄水期面板應(yīng)力等值線圖(單位：cm)

3.3 接縫變形

蓄水期防滲墻與連接板之間的接縫處于壓緊狀態(tài)，接縫變形以沉陷為主，沉陷值分布如圖9所示。接縫沉陷最大值為34.9 mm。該變位在目前止水結(jié)構(gòu)及材料能夠適應(yīng)的變形范圍內(nèi)。蓄水期面板周邊縫的張拉量見圖10，蓄水期周邊縫兩岸坡大部分區(qū)域處于張開狀態(tài)，最大張開量為22.4 mm，位于壩0+328剖面。蓄水垂直縫的張拉區(qū)域與量值見圖11，河谷中央垂直縫處于壓緊狀態(tài)，兩岸垂直縫處于張開狀態(tài)，最大張開量為10.1 mm，位于壩0+312.0剖面。

圖9 蓄水期連接板與防滲墻相對沉陷變位圖

圖10 蓄水期周邊縫張拉變形圖(張開為正，單位：mm)

圖11 蓄水期豎縫張開變形圖(張開為正，單位：mm)

4 結(jié) 語

基于三維靜力有限元法靜力分析結(jié)果，得到的主要結(jié)論如下：

1)竣工期、蓄水期壩體最大沉降分別為70.3、72.8 cm。壩體最大沉降量值約占壩高的0.55%，右壩肩古河槽處竣工期、正常蓄水位運行時壩體沉降最大值分別為61.5、62.3 cm，發(fā)生在建基面上。竣工期壩體順河向位移指向上游最大值17.9 cm，指向下游變形最大值為16.9 cm，蓄水期指向上游最大值5.1 cm，指向下游變形最大值為19.2 cm，壩體位移分布規(guī)律和量值符合面板壩的一般規(guī)律，處于可控范圍。

2)蓄水期面板軸向壓、拉應(yīng)力最大值分別為6.65 MPa和-1.36 MPa，順坡向壓、拉應(yīng)力最大值分別為5.03 MP和-1.14 MPa，面板順坡向和壩軸向拉應(yīng)力較大部位均出現(xiàn)在古河槽與基巖的交界處，應(yīng)進一步關(guān)注古河槽的影響。

3)蓄水期防滲墻與連接板之間的接縫處于壓緊狀態(tài)，接縫變形以沉陷為主。接縫沉陷最大值為34.9 mm，在止水結(jié)構(gòu)及材料能夠適應(yīng)的變形范圍內(nèi)。蓄水期周邊縫兩岸坡大部分區(qū)域處于張開狀態(tài)，最大張開量為22.4 mm；河谷中央垂直縫處于壓緊狀態(tài)，兩岸垂直縫處于張開狀態(tài)，最大張開量為10.1 mm；整體來說面板周邊縫、垂直縫的變位量值均較小，可以滿足設(shè)計要求。