深厚覆蓋層上某閘壩工程的應(yīng)力應(yīng)變分析

張學(xué)峰 呂高峰 孔維耀 崔偉杰 樊科偉

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098）

我國西南地區(qū)水力資源豐富，伴隨著我國水利水電工程建設(shè)的發(fā)展，有許多地質(zhì)條件不錯(cuò)的壩址均已建壩.因此，水力資源的繼續(xù)開發(fā)不得不探討如何在深厚覆蓋層上建壩這一復(fù)雜難題.覆蓋層具有結(jié)構(gòu)松散、滲透性強(qiáng)、巖性不均勻等特征，使工程常遇到地基承載力低，不均勻沉降大，滲流不夠穩(wěn)定等問題.所以，深厚覆蓋層上不宜建重力壩，相對而言深厚覆蓋層上更適合建土石壩，然而，土石壩又不具備泄洪的能力，而且覆蓋層的地質(zhì)條件也不適合開挖引水隧洞.因此，在深厚覆蓋層上修建水工建筑物可以在河谷地形平坦，深厚覆蓋層較薄的位置修建閘壩，其他不利建重力壩的位置由土石壩代替.但是，在深厚覆蓋層上的閘壩對承載力、不均勻沉降和滲流穩(wěn)定要求很高.針對以上問題，本文根據(jù)深厚覆蓋層上某閘壩工程為原型，利用SDAS軟件進(jìn)行建模、計(jì)算和后處理分析.通過研究分析，得出了深厚覆蓋層處理后該閘壩工程的閘底板沉降變形情況與防滲墻應(yīng)力分布，提出了相應(yīng)的工程建議.

1 工程概況

壩址區(qū)河床覆蓋層深厚，結(jié)構(gòu)層次較為復(fù)雜，覆蓋層最深處達(dá)到130m.覆蓋層剖面圖如圖1所示.根據(jù)其成因時(shí)代和物質(zhì)組成等，河床覆蓋層自下而上大致可分為6層:第1層是漂（塊）卵（碎）石層.該層分布于河床底部深槽部位，厚度變化較大，一般為10～30m.第2層是粉土、粉砂層.該層分布于河床下部，厚度為0.65～10.80m，工程性狀較差.第3層是漂（塊）卵（碎）礫石層.該層厚度大，一般為20～50m，工程性狀較好.第4層是漂（塊）石夾卵礫石層，工程性狀與第3層類似，計(jì)算參數(shù)很接近.第5層是粉土、粉砂層，厚度在10m左右，具有微透水性，工程性狀差.第6層是砂卵礫石層，主要由漂石卵礫石構(gòu)成，其余充填砂土.該層主要分布于河床表部，較連續(xù)，結(jié)構(gòu)疏松，透水性強(qiáng).

圖1 某水電站壩址河床覆蓋層剖面圖

該工程采用混合方式開發(fā)，初擬正常蓄水位1996m，總裝機(jī)容量1197.6MW.電站屬二等大（2）型工程，樞紐建筑物主要由攔河閘壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開關(guān)站等組成.攔河閘壩呈直線布置，壩頂高程1999.5m，閘壩軸線長302m，最大閘高42m，沿軸線從左向右布置有左岸擋水壩、沖沙閘、泄洪閘和右岸擋水壩.閘底板高程1963.5m、1966m，底板厚度5 m，閘室長60.0m，孔頂設(shè)2.5m厚胸墻至壩頂，閘室上游設(shè)30m長的混凝土連接板，下游設(shè)60m長的混凝土護(hù)坦和100m長的大塊石海漫.樞紐平面布置如圖2所示.

圖2 某水電站首部樞紐平面布置圖

2 有限元模型及計(jì)算條件

2.1 三維有限元網(wǎng)格模型

圖3為有限元計(jì)算的三維網(wǎng)格，網(wǎng)格包括閘壩、重力壩、土石壩、山體、覆蓋層和基巖，網(wǎng)格總共劃分單元111568個(gè)，節(jié)點(diǎn)121231個(gè).坐標(biāo)系為:x軸為壩軸向，0點(diǎn)位于閘（壩）左右0＋0，指向閘左為正；y軸為順河向，0點(diǎn)位于閘（壩）上下0＋0，指向下游為正；z軸為垂直向，向上為正.上下游和左右岸邊界為截?cái)噙吔纾撞繛楣潭ㄟ吔?

圖3 某深厚覆蓋層閘壩三維有限元網(wǎng)格模型

2.2 計(jì)算模擬

本次計(jì)算主要采用鄧肯－張E－B非線性彈性模型.非線性彈性模型以廣義胡克定律為基礎(chǔ)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用增量形式表示為:

式中，［D］為剛度矩陣，表達(dá)式如下:

該模型中的切線彈性模量Et和切線體積模量Bt的計(jì)算公式分別為:

式中，Rf、K、n、Kb、m 為模型參數(shù)；c、φ 為抗剪強(qiáng)度指標(biāo).由于土石材料的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線通常為通過原點(diǎn)的向下彎曲的曲線，并非是一條直線，因此取c＝0，φ＝φ0－Δφlg（σ3／pa）.

閘壩段、重力壩段、防滲墻、混凝土心墻以及基巖山體均采用線彈性模型，其表達(dá)式為:

剛度矩陣［D］與式（2）相同.混凝土防滲墻和覆蓋層及閘室地表與覆蓋層之間設(shè)了接觸單元.本次計(jì)算采用無厚度Goodman接觸面單元進(jìn)行模擬.

Goodman單元是一種無厚度單元，以兩邊對應(yīng)結(jié)點(diǎn)相對位移作為變量，分析時(shí)不考慮接觸面法向應(yīng)力和剪應(yīng)力及法向相對位移和切向相對位移之間的耦合作用.Goodman單元能較好地模擬接觸面上的錯(cuò)動(dòng)滑移或張開，且能考慮接觸面變形的非線性特性.其缺點(diǎn)是單元厚度為0，有時(shí)會(huì)使兩側(cè)單元重疊.為防止出現(xiàn)這種現(xiàn)象，一般在受壓時(shí)采用較大的法向勁度系數(shù).

2.3 計(jì)算方案參數(shù)及有限元程序

對于深厚覆蓋層地基，工程擬采取挖除壩基下前已論述的第5層和第6層、回填石渣料或砂礫料、碾壓密實(shí)的施工方案.計(jì)算所采用的主要參數(shù)見表1.

表1 三軸剪切試驗(yàn)鄧肯模型（E－B）參數(shù)表

計(jì)算程序采用土石壩靜動(dòng)力分析軟件SDAS（又名“實(shí)打?qū)崱保┻M(jìn)行計(jì)算.該軟件具有建模、計(jì)算、后處理等功能，經(jīng)過不斷地完善，目前已是一款具備友好界面、強(qiáng)大計(jì)算功能、實(shí)用性很強(qiáng)的靜動(dòng)力分析軟件.該軟件已在苗尾心墻堆石壩、響水澗面板堆石壩、宜興抽水蓄能電站上水庫主壩面板堆石壩等10余座閘壩工程中得到運(yùn)用，為工程設(shè)計(jì)提供了有益的參考.

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算加載時(shí)，首先模擬天然壩基覆蓋層求得初始應(yīng)力，再分級模擬閘室結(jié)構(gòu)、重力壩段和混凝土壩段填筑，最后分級模擬蓄水位至正常蓄水位1997m，弧形工作閘門擋水.本次分析是在深厚覆蓋層進(jìn)行處理后得出的結(jié)果，閘壩基礎(chǔ)覆蓋層厚度一般為80～130 m，閘基及兩岸混凝土重力式擋水壩基礎(chǔ)挖除覆蓋層第⑤、④層，回填級配良好的石渣料，并進(jìn)行深層、淺層固結(jié)灌漿處理，淺層固灌深度15m，深層固灌最大深度70m.計(jì)算工況分兩種，工況1:壩體竣工期.工況2:水庫運(yùn)行期（上游蓄水至正常蓄水位1997m，下游水位為1971.36m）.

3.1 閘底板沉降

圖4分別是竣工期和運(yùn)行期的閘底板沉降圖，竣工期閘底板最大沉降是16cm，閘底板沉降的主要區(qū)域是閘室下面，并且隨著向河谷中間靠近，沉降逐漸增大，主要原因是在竣工期閘底板受到的作用力主要來自閘室，并且河谷中間的覆蓋層較為深厚.運(yùn)行期的最大沉降值是18cm，比竣工期的沉降大，主要是因?yàn)樾钏笏畨毫Φ淖饔檬沟贸两翟黾?

圖4 閘壩底板沉降位移（cm）

3.2 防滲墻應(yīng)力

圖5、圖6為竣工期和運(yùn)行期防滲墻應(yīng)力等值線圖（注:圖中壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)）.防滲墻大主應(yīng)力在竣工期和蓄水期均為壓應(yīng)力，集中在閘室下方、防滲墻頂部位置.運(yùn)行期的大主應(yīng)力有所增加，主要是因?yàn)樾钏螅捎谒畨毫Φ淖饔?，使得防滲墻受到的壓應(yīng)力增加，但大主應(yīng)力依然滿足強(qiáng)度要求.小主應(yīng)力在竣工期和運(yùn)行期也均為壓應(yīng)力，應(yīng)力主要分布在閘室下方、防滲墻底部位置.蓄水后防滲墻的小主應(yīng)力在水壓力的作用下增大.從竣工期及運(yùn)行期的大小主應(yīng)力來看，想要減小防滲墻的應(yīng)力，深厚覆蓋層開挖回填深度還需增加，為了防止防滲墻拉壞，在防滲墻上游還需要進(jìn)行深層固結(jié)灌漿，來分擔(dān)部分的應(yīng)力，不至于防滲墻應(yīng)力過大而導(dǎo)致破壞.

3.3 防滲墻位移

圖7為竣工期和運(yùn)行期防滲墻順河向變形分布圖.防滲墻竣工期時(shí)的順河向變形朝向上游，最大變形為3cm，位于閘壩下方防滲墻中部.蓄水期由于水壓力的作用，防滲墻的順河向位移增大到6cm，朝向下游.

圖7 防滲墻運(yùn)行期、竣工期順河向變形等值線圖（cm）

4 結(jié) 語

通過對本工程的計(jì)算分析，竣工期閘底板最大沉降是16cm，運(yùn)行期的最大沉降值是18cm.沉降均在閘室下方，主要因?yàn)楹庸戎虚g深厚覆蓋層深厚，閘底板承受閘室作用力過大，說明在河谷中間開挖回填及配料尤為重要.

從防滲墻的應(yīng)力分析可以看出在深厚覆蓋層上建閘壩，如果覆蓋層處理不夠到位，會(huì)直接導(dǎo)致防滲墻拉應(yīng)力過大，在運(yùn)行期甚至?xí)軌浩茐?防滲墻竣工期的水平位移向上游，然而運(yùn)行期由于水荷載作用，水平位移向下游，最大值為6cm.

防滲墻變形、應(yīng)力過大、閘底板沉降變形等問題，均可以通過對深厚覆蓋層進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)，比如挖除粉土層及夾砂卵礫石層，回填膠凝砂礫石材料以及膠凝砂卵石料這兩層，兩層材料強(qiáng)度向下呈漸變小趨勢，這樣即使回填膠凝砂卵石基礎(chǔ)不進(jìn)行固結(jié)灌漿，計(jì)算結(jié)果也可滿足規(guī)范要求.

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