厚粉土質(zhì)砂層灌漿對(duì)高圍堰變形及防滲墻應(yīng)力的影響

任明川，佘成學(xué)，譚洪波

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430072;2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310014)

松塔水電站位于怒江干流中游河段，其上游圍堰處河床覆蓋層厚74 m，且成分復(fù)雜，由7層不同強(qiáng)度的材料構(gòu)成，其中存在20 m厚力學(xué)性質(zhì)較差的粉土質(zhì)砂層。土石圍堰高73 m，在下游側(cè)開挖86 m深的大壩基坑?；A(chǔ)及圍堰擬采用混凝土防滲墻上接復(fù)合土工膜構(gòu)成防滲體系。在深厚覆蓋層上修建高土石圍堰，圍堰大變形和防滲墻高應(yīng)力是值得關(guān)注的問(wèn)題，需要深入開展研究。

汪明元［1］等對(duì)烏東德高土石圍堰進(jìn)行了應(yīng)力變形分析，但是該圍堰的覆蓋層比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有出現(xiàn)堰體大變形和防滲墻高應(yīng)力的問(wèn)題;酈能惠［2］、李烽［3］對(duì)深厚覆蓋層中防滲墻的應(yīng)力變形進(jìn)行了分析，但是只注重分析整個(gè)覆蓋層材料力學(xué)性質(zhì)變化對(duì)防滲墻應(yīng)力變形的影響，沒(méi)有研究局部材料力學(xué)性質(zhì)變化的影響效果。隨著西部地區(qū)大型水利樞紐工程的逐步興建，直接在復(fù)雜深厚覆蓋層上修建土石圍堰將不可避免，同時(shí)為了控制工程進(jìn)度和節(jié)約成本，不可能對(duì)整個(gè)覆蓋層進(jìn)行加固處理［4］。因此，研究局部加固覆蓋層中的軟弱層［5］并對(duì)加固范圍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析其對(duì)堰體大變形和防滲墻高應(yīng)力的影響效果是十分有意義的，可為同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

本文采用非線性有限元方法，對(duì)松塔高土石圍堰的應(yīng)力變形進(jìn)行分析，模擬了圍堰填筑、基坑排水、下游大壩基坑開挖、上游水位上漲滲流場(chǎng)變化等過(guò)程，對(duì)圍堰、基礎(chǔ)變形和防滲墻應(yīng)力進(jìn)行了研究分析［6］，同時(shí)，研究了粉土質(zhì)砂層灌漿措施對(duì)圍堰大變形和防滲墻應(yīng)力的影響，并對(duì)灌漿范圍進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 未灌漿方案的計(jì)算與分析

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)

以河床覆蓋層④粉土質(zhì)砂層未進(jìn)行灌漿為未灌漿方案，圖1是河床覆蓋層及圍堰的典型斷面圖。從圖1中可以看到，覆蓋層可分為7層，從上到下依次為⑦卵石混合土層、⑥含細(xì)粒土砂層、⑤卵石混合土層、④粉土質(zhì)砂層、③混合土漂石層、②含細(xì)粒土砂層和①卵石混合土層，覆蓋層以下為弱風(fēng)化、微風(fēng)化及新鮮基巖。上部圍堰由Ⅰ截流戧堤、Ⅱ砂礫石料、Ⅲ石渣混合料、Ⅳ過(guò)渡料及Ⅴ墊層料組成，此外，在圍堰上部采用了土工膜進(jìn)行防滲，而圍堰下部及覆蓋層中采用混凝土防滲墻進(jìn)行防滲［7］，所用混凝土標(biāo)號(hào)為 C10，防滲墻厚度 1.2 m，嵌入基巖 1 m［8］。

圖1 圍堰及河床覆蓋層典型斷面圖

在計(jì)算中基巖和土工膜按常規(guī)的線彈性材料模擬，土工膜軸向不能承擔(dān)壓應(yīng)力，土工膜的拉伸彈模按100 MPa考慮;其他材料采用Duncan－Chang EB非線性彈性材料模擬。未灌漿方案的計(jì)算參數(shù)取值見表1～表3(計(jì)算參數(shù)由設(shè)計(jì)院根據(jù)勘測(cè)結(jié)果提供)。

表1 全部材料滲流計(jì)算參數(shù)取值

計(jì)算模型選用二維平面應(yīng)變四邊形單元，滲流計(jì)算的邊界條件為:上游水下堰面及覆蓋層表面為等勢(shì)面，水頭1 766 m;作為計(jì)算邊界的河床鉛直面按不透水邊界處理;下游基坑開挖表面為等勢(shì)面，水頭為1 610 m(即下游基坑無(wú)積水);基坑位置作為計(jì)算邊界的河床鉛直面按不透水邊界處理;基坑開挖坡面及圍堰下游面為逸出邊界。應(yīng)力變形計(jì)算的邊界條件為:上下游兩側(cè)鉛直面的水平約束，底部邊界固定約束。

1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

首先分析滲流狀況。在穩(wěn)定滲流期，圍堰及覆蓋層中的滲流壓力水頭等值線見圖2。由于混凝土防滲墻和土工膜的滲透性比覆蓋層和堰體材料要小得多，在防滲體上游側(cè)的滲流幾乎處于靜水狀態(tài);防滲體上下游側(cè)水頭差較大，防滲墻下游側(cè)的滲流基本位于覆蓋層中，圍堰不受滲流影響;滲流逸出點(diǎn)位于②含細(xì)粒土砂層，逸出點(diǎn)的滲透坡降為0.25，小于其臨界滲透坡降0.5 ～0.7;單寬滲流量為0.3896 m3/h·m。

表2 河床覆蓋層及圍堰材料應(yīng)力變形計(jì)算參數(shù)取值

表3 線彈性材料應(yīng)力變形計(jì)算參數(shù)取值

然后分析圍堰及覆蓋層的應(yīng)力變形狀況。圖3和圖4分別給出了圍堰及覆蓋層的變形情況，其中最大水平位移為2.82 m，位于堰頂;最大豎直位移為3.17 m，位于防滲墻下游的砂礫石料上部，最大沉降量已經(jīng)接近天生橋一級(jí)的3.24 m，大于水布埡的 2.45 m［9］;最大主應(yīng)力的最大值為 2.95 MPa，位于靠防滲墻下游覆蓋層④與③交界處及覆蓋層①與②交界處;最小主應(yīng)力的最大值為0.91 MPa，位于靠防滲墻下游覆蓋層④與③交界處。

圖2 未灌漿方案穩(wěn)定滲流壓力水頭等值線分布圖/m

圖3 未灌漿方案圍堰及覆蓋層水平向位移等值線分布圖/m

圖4 未灌漿方案圍堰及覆蓋層豎直向位移等值線分布圖/m

對(duì)于混凝土防滲墻，從其應(yīng)力分布情況來(lái)看，防滲墻內(nèi)無(wú)拉應(yīng)力存在，以豎直向受壓為主。防滲墻豎直向壓應(yīng)力極值見表7，整個(gè)防滲墻的豎直向壓應(yīng)力最大值為11.26 MPa，超過(guò)了混凝土的抗壓強(qiáng)度10 MPa，位于覆蓋層④粉土質(zhì)砂范圍內(nèi);且位于覆蓋層④粉土質(zhì)砂范圍內(nèi)的這段防滲墻，其豎直向壓應(yīng)力基本都超過(guò)了10 MPa。而位于其他覆蓋層中的防滲墻，其豎直向壓應(yīng)力都未超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度 10 MPa，最大值為 9.03 MPa。

對(duì)于土工膜，其應(yīng)力很小，最大拉應(yīng)力0.25 MPa，位于土工膜底部。

上述計(jì)算結(jié)果表明，圍堰及覆蓋層的水平位移和豎直位移最大值都比較大;混凝土防滲墻在覆蓋層④粉土質(zhì)砂范圍內(nèi)豎直向壓應(yīng)力過(guò)大［10－11］，已經(jīng)超過(guò)了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

在河床覆蓋層中，覆蓋層④粉土質(zhì)砂層的壓縮量為1.17 m，其單位厚度的壓縮量為6.8 cm，其他覆蓋層的最大壓縮量為0.36 m，最大單位厚度壓縮量為3.3 cm，即④粉土質(zhì)砂層的變形量遠(yuǎn)大于其他覆蓋層;且位于覆蓋層④粉土質(zhì)砂范圍內(nèi)的這段防滲墻，其豎直向壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于其他覆蓋層中的防滲墻，可見，在所有覆蓋層中④粉土質(zhì)砂層對(duì)圍堰大變形和混凝土防滲墻高應(yīng)力有重大影響。

通過(guò)對(duì)覆蓋層④粉土質(zhì)砂層進(jìn)行參數(shù)敏感性分析發(fā)現(xiàn)［12］，如果提高④粉土質(zhì)砂的模量參數(shù)K和Kb［13－14］，則④粉土質(zhì)砂層的壓縮量會(huì)減小，圍堰的變形量也隨之減小;位于其范圍內(nèi)的這段防滲墻，其豎直向壓應(yīng)力會(huì)大幅減小，整個(gè)防滲墻的最大豎直向壓應(yīng)力會(huì)小于混凝土的抗壓強(qiáng)度10 MPa。覆蓋層④粉土質(zhì)砂層位于地面下23 m，若要改善其力學(xué)性質(zhì)，提高其模量參數(shù)K和Kb，最常用的方法便是灌漿［15－16］，為此，擬對(duì)其進(jìn)行水泥灌漿處理。

2 灌漿加固效果及灌漿范圍的研究

2.1 灌漿后材料參數(shù)及灌漿方案

覆蓋層④粉土質(zhì)砂灌漿后仍采用Duncan－Chang E－B非線性彈性模型來(lái)模擬，其計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 覆蓋層④粉土質(zhì)砂灌漿后計(jì)算參數(shù)取值

對(duì)覆蓋層④粉土質(zhì)砂層進(jìn)行水泥灌漿，以防滲墻為中心向上下游方向延伸，④粉土質(zhì)砂層逐漸變薄，且河床上圍堰的高度也逐漸減小，即不同范圍的灌漿會(huì)對(duì)圍堰變形及防滲墻應(yīng)力產(chǎn)生不同影響［17］，為此擬定了7個(gè)不同灌漿范圍的方案，如表5所示，以進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。

表5 灌漿方案

2.2 灌漿方案的分析評(píng)價(jià)

不同灌漿方案的計(jì)算結(jié)果見表6和表7。

對(duì)比未灌漿方案與灌漿方案6，從表6可以看到，灌漿后圍堰及覆蓋層的最大水平位移變?yōu)?.25 m，相對(duì)于未灌漿情況減小了20.2%;最大豎直位移變?yōu)?.42 m，相對(duì)于未灌漿情況減小了23.7%;即通過(guò)灌漿可以有效減小圍堰及覆蓋層的變形量。從表7可以看到，灌漿后防滲墻在④粉土質(zhì)砂層范圍內(nèi)的最大豎直向壓應(yīng)力從11.26 MPa降為4.38 MPa;整個(gè)防滲墻的最大豎直向壓應(yīng)力從11.26 MPa降為8.59 MPa，小于混凝土的抗壓強(qiáng)度10 MPa;即通過(guò)灌漿可以明顯減小防滲墻的最大豎直向壓應(yīng)力。雖然通過(guò)方案6即對(duì)整個(gè)覆蓋層④粉土質(zhì)砂全部灌漿可以有效降低圍堰的大變形和混凝土防滲墻的高應(yīng)力，但是灌漿范圍過(guò)大，在經(jīng)濟(jì)上不太合理，因此，需要進(jìn)一步對(duì)灌漿范圍進(jìn)行優(yōu)化分析。

對(duì)比未灌漿方案與灌漿方案1～方案7的計(jì)算結(jié)果可知:

(1)從圍堰及覆蓋層的滲流情況來(lái)看，與未灌漿方案相比，不同灌漿范圍對(duì)圍堰及覆蓋層的滲流影響較小，其單寬滲流量、下游溢出點(diǎn)的位置及溢出點(diǎn)的滲透坡降基本不變，滲流壓力等水頭線僅在覆蓋層④粉土質(zhì)砂范圍內(nèi)隨著灌漿范圍的變化而有所變化，其他位置的滲流壓力等水頭線基本不變。其原因是④粉土質(zhì)砂層的上下覆蓋層均為較厚的相對(duì)透水層，且④粉土質(zhì)砂層僅分布在地基的局部范圍，并未貫穿整個(gè)地基，所以對(duì)④粉土質(zhì)砂層局部灌漿只會(huì)對(duì)灌漿范圍內(nèi)的滲流產(chǎn)生影響，但對(duì)整個(gè)圍堰及覆蓋層的滲流基本無(wú)影響。

(2)從圍堰及覆蓋層的應(yīng)力情況來(lái)看，不同灌漿范圍對(duì)圍堰及覆蓋層應(yīng)力的影響如表6所示。從表6中數(shù)據(jù)可以看到，與未灌漿方案相比，不同灌漿范圍對(duì)堰體及覆蓋層的最小主應(yīng)力影響很小;選用灌漿方案1～方案4及方案7時(shí)，會(huì)在灌漿區(qū)下游與覆蓋層④交界面的底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致最大主應(yīng)力最大值明顯比未灌漿時(shí)大，但是除了應(yīng)力集中的部位及整個(gè)灌漿區(qū)域的應(yīng)力有明顯提高外，其他位置的最大主應(yīng)力基本不變。即對(duì)④粉土質(zhì)砂層局部灌漿只會(huì)對(duì)灌漿區(qū)域的應(yīng)力產(chǎn)生影響，使灌漿區(qū)域的應(yīng)力有所提高，但對(duì)整個(gè)圍堰及覆蓋層的應(yīng)力基本無(wú)影響。

(3)從圍堰及覆蓋層的變形情況來(lái)看，不同灌漿范圍對(duì)圍堰及覆蓋層變形的影響如表6所示。從表6中數(shù)據(jù)可以看到，隨著灌漿范圍的不斷擴(kuò)大，圍堰及覆蓋層的水平位移最大值逐漸減小，且單位灌漿長(zhǎng)度范圍引起的減小值基本不變，平均每米灌漿長(zhǎng)度可使水平位移最大值減小約0.5 cm，即若要大幅度減小水平位移最大值，則需要大范圍灌漿。豎直位移最大值隨灌漿范圍的不斷擴(kuò)大也逐漸減小，且單位灌漿長(zhǎng)度范圍引起的減小值先增大后減小，即存在最優(yōu)灌漿范圍，可使單位灌漿長(zhǎng)度范圍引起的減小值最大，在上述灌漿方案中方案4即對(duì)防滲墻上下游50 m范圍內(nèi)的粉土質(zhì)砂灌漿效果最好，平均每米灌漿長(zhǎng)度可使豎直位移最大值減小約1.2 cm，但是所需灌漿范圍也較大。由此可見，雖然通過(guò)灌漿可以有效減小圍堰及覆蓋層的大變形，但是需要進(jìn)行大范圍灌漿才能收到顯著效果，在經(jīng)濟(jì)上不太合理。

表6 不同方案對(duì)圍堰及覆蓋層應(yīng)力變形的影響

(4)從混凝土防滲墻的應(yīng)力情況來(lái)看，不同灌漿范圍對(duì)防滲墻豎直向壓應(yīng)力的影響如表7所示。從表7中數(shù)據(jù)可以看到，當(dāng)對(duì)防滲墻上下游5 m范圍內(nèi)的④粉土質(zhì)砂層灌漿時(shí)，防滲墻在④粉土質(zhì)砂層范圍內(nèi)的最大豎直向壓應(yīng)力就從11.26 MPa降為6.21 MPa，整個(gè)防滲墻的最大豎直向壓應(yīng)力從11.26 MPa降為9.21 MPa，小于混凝土的抗壓強(qiáng)度10 MPa。對(duì)比方案1～方案6可知，對(duì)防滲墻兩側(cè)進(jìn)行灌漿均可使整個(gè)防滲墻的最大豎直向壓應(yīng)力從11.26 MPa降到小于混凝土的抗壓強(qiáng)度10 MPa，但從經(jīng)濟(jì)角度看，顯然方案1即對(duì)防滲墻上下游5 m范圍內(nèi)的④粉土質(zhì)砂層灌漿最合理。對(duì)比方案1和方案7，雖然二者的灌漿范圍都是10 m，但是方案7即當(dāng)僅對(duì)防滲墻一側(cè)的粉土質(zhì)砂灌漿時(shí)，防滲墻另一側(cè)的最大豎直向壓應(yīng)力為10.18 MPa，大于混凝土的抗壓強(qiáng)度10 MPa，顯然方案7不可取。由此可見，對(duì)于僅在④粉土質(zhì)砂層范圍內(nèi)防滲墻的豎直向壓應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度，而在其他范圍內(nèi)防滲墻的豎直向壓應(yīng)力未超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度這種情況，不用提高混凝土的抗壓強(qiáng)度等級(jí)，只需對(duì)防滲墻兩側(cè)的④粉土質(zhì)砂層進(jìn)行小范圍灌漿就可以降低整個(gè)防滲墻的最大豎直向壓應(yīng)力，使之小于混凝土的抗壓強(qiáng)度。

表7 不同方案對(duì)防滲墻豎直向壓應(yīng)力極值的影響 單位:MPa

3 結(jié)論

綜合前文分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)當(dāng)深厚覆蓋層中存在厚粉土質(zhì)砂層時(shí)，會(huì)引起圍堰大變形和防滲墻局部高應(yīng)力的情況;對(duì)厚粉土質(zhì)砂層局部灌漿只會(huì)對(duì)灌漿范圍內(nèi)的滲流和應(yīng)力產(chǎn)生影響，但對(duì)整個(gè)圍堰及覆蓋層的滲流和應(yīng)力基本無(wú)影響。

(2)對(duì)深厚覆蓋層中的厚粉土質(zhì)砂層灌漿可以有效減小圍堰及覆蓋層的大變形，但是需要進(jìn)行大范圍灌漿才能起到明顯作用，在經(jīng)濟(jì)上不太合理。

(3)當(dāng)整個(gè)混凝土防滲墻僅在粉土質(zhì)砂層范圍內(nèi)的豎直向壓應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度時(shí)，只需對(duì)防滲墻兩側(cè)的粉土質(zhì)砂層進(jìn)行小范圍灌漿就可以降低整個(gè)防滲墻的最大豎直向壓應(yīng)力，使之小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，而不需要提高防滲墻的混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)，在經(jīng)濟(jì)上是合理的，是值得推薦的。

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