深厚覆蓋層地基高土石圍堰應(yīng)力變形分析

張祥，車明杰，樊艷欣，杜鑫，郭蘭春

（1.甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司，甘肅蘭州　730046；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安　710048；3.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都　610051）

深厚覆蓋層地基高土石圍堰應(yīng)力變形分析

張祥1，車明杰2，樊艷欣2，杜鑫3，郭蘭春2

（1.甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730046；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048；3.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610051）

結(jié)合Midas/GTS有限元分析軟件，以某大型水電站圍堰工程為例，通過計(jì)算分析得出了深厚覆蓋層地基高土石圍堰在完建期和蓄水期兩種工況下的應(yīng)力變形特性。結(jié)果表明：在兩種工況下，堰體垂直位移的方向均豎直向下，最大值發(fā)生在堰體底部；完建期堰體及堰基的水平位移呈現(xiàn)兩種趨勢(shì)，上游部分水平位移指向上游，下游部分水平位移指向下游，蓄水期堰體及堰基的水平位移均指向下游；堰體的大、小主應(yīng)力分布基本均為壓應(yīng)力，并從堰面向堰內(nèi)逐漸增大，最大值發(fā)生在堰體底部的防滲墻附近，在防滲墻周邊應(yīng)力較為集中、梯度相對(duì)較大。

深厚覆蓋層；高土石圍堰；有限元分析；應(yīng)力變形特性

隨著我國(guó)水利水電工程建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的大型工程壩址不得不面對(duì)深覆蓋層地基問題。在深覆蓋層地基條件下，目前許多大型工程的施工圍堰采用高土石圍堰，其堰體防滲采用復(fù)合土工膜，地基防滲則采用混凝土防滲墻。不少工程經(jīng)驗(yàn)證明，對(duì)于這種圍堰結(jié)構(gòu)布置型式，堰體和深覆蓋層地基的應(yīng)力變形特性是影響圍堰工程安全的關(guān)鍵問題［1-2］。

本文采用Midas/GTS有限元分析軟件，研究了深厚覆蓋層地基高土石圍堰在完建期和蓄水期2種工況下的應(yīng)力變形特性，分析堰體發(fā)生裂縫的可能性，判斷堰基覆蓋層與混凝土防滲墻之間發(fā)生張拉及剪切破壞的可能性，以便為高土石圍堰工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過計(jì)算分析得出了2種工況下圍堰的應(yīng)力及位移變化情況。

1　工程概況

某大型水電站工程上游圍堰兩岸為基巖裸露，巖性為綠泥角閃片巖，地表巖體完整性較好。圍堰處河床覆蓋層最大厚度為63～65 m，按物質(zhì)成分可分為4小層和I號(hào)透鏡體，由上至下依次為：⑤Qal層，河床沖積砂卵石層夾少量漂石；③Qal層，含淤泥質(zhì)粉砂層、黏土質(zhì)砂；②Qal層，淤泥質(zhì)黏土、黏土質(zhì)砂；①Q(mào)al層，為卵石、塊石夾砂，缺失第④層。

上游土石圍堰擋水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)初選為30年一遇，對(duì)應(yīng)洪峰流量6 330 m3/s；圍堰最大堰高約60 m，其下部堰體及基礎(chǔ)采用塑性混凝土防滲墻、上部堰體采用復(fù)合土工膜斜墻防滲。圍堰下游坡腳距離大壩趾板開挖開口線留有一定距離，由于河床覆蓋層深厚，圍堰下游壩基開挖最大深度達(dá)70 m左右。圍堰填筑料絕大部分為樞紐建筑物開挖料，主要為強(qiáng)風(fēng)化及全風(fēng)化料，力學(xué)參數(shù)較低。基礎(chǔ)覆蓋層厚度約65 m，大部分屬于中度壓縮性堰塞湖沉積物，對(duì)圍堰沉降及抗滑、邊坡穩(wěn)定較為不利。圍堰典型剖面圖見圖1。

圖1　圍堰典型剖面圖（高程單位：m）Fig.1　Cofferdam typical section of cofferdam

2　計(jì)算工況及模型參數(shù)

2.1計(jì)算工況

根據(jù)設(shè)計(jì)確定的圍堰施工及運(yùn)行條件，對(duì)于該圍堰擬定的2個(gè)計(jì)算工況分別為：完建期，上游水位2 545 m、下游水位2 537 m；蓄水期，上游水位2 594.06 m、下游水位2 537 m。

2.2模型參數(shù)

根據(jù)該工程標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖，并且結(jié)合圍堰地基的地質(zhì)特性，建立相應(yīng)的二維有限元模型。其計(jì)算范圍確定為：堰體基礎(chǔ)底部取至大壩趾板開挖最低高程2 465 m處，上、下游河床分別取至距上、下游堰體坡腳100 m、約1.5倍覆蓋層厚度處。模型上、下游邊界取為水平鉸支，底部邊界取為固定鉸支［3-5］。計(jì)算模型見圖2。

圖2　圍堰有限元計(jì)算模型Fig.2　Finite element calculation model of cofferdam

在分析計(jì)算中，堰體和地基覆蓋層土石料及地基塑性混凝土防滲墻和堰體復(fù)合土工膜防滲斜墻均采用Duncan-Chang E-B模型［3-5］。其中，堰體和地基覆蓋層土石料及地基塑性混凝土防滲墻的E-B模型參數(shù)根據(jù)本工程材料試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合工程類比確定，參數(shù)見表1。表中覆蓋層1為河床沖擊砂卵石夾少量漂石層，覆蓋層2為淤泥質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)砂層，覆蓋層3為淤泥質(zhì)黏土、黏土質(zhì)砂層，覆蓋層4為卵石、塊石夾砂層。堰體復(fù)合土工膜防滲斜墻的E-B模型參數(shù)參照類似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取［6］，其模型參數(shù)見表2。

覆蓋層下部基巖采用線彈性模型，基巖的密度為2.3 g/cm3，彈性模量為16 GPa，泊松比為0.2。

覆蓋層與混凝土防滲墻之間接觸面采用無厚度的Goodman單元［7-10］，其計(jì)算參數(shù)參照類似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取。內(nèi)摩擦角取11.5°，凝聚力取0，擠壓狀態(tài)時(shí)法向剛度系數(shù)取106MPa/m，張拉狀態(tài)時(shí)法向剛度系數(shù)取104MPa/m。

3　圍堰的應(yīng)力變形結(jié)果分析

通過連續(xù)增量計(jì)算獲得了2種工況下的圍堰應(yīng)力變形結(jié)果，兩種工況下位移及主應(yīng)力見圖3—圖6。圖中豎向位移以向上為正，水平位移以向下游方向?yàn)檎?，單位為m；應(yīng)力以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，單位為kPa。

如圖3所示，在兩種工況下，堰體垂直位移的方向均豎直向下，最大值發(fā)生在堰體底部，并以此為中心，堰體其他部分的垂直位移則逐漸減小。其中，完建期堰體最大垂直位移為36.0 cm，蓄水期堰體最大垂直位移為52.0 cm。

表1　堰體及地基材料E-B模型參數(shù)Tab.1　The E-B model parameters of the cofferdam and foundation materials

表2　復(fù)合土工膜E-B模型的參數(shù)Tab.2　Parameters of E-B model of composite soil

圖3　完建期和蓄水期堰體的垂直位移圖（單位：m）Fig.3　The vertical displacement map of the cofferdam in the construction period and impoundment period

如圖4所示，完建期堰體及堰基的水平位移呈現(xiàn)兩種趨勢(shì)，上游部分的水平位移指向上游，但趨勢(shì)不太明顯，最大值發(fā)生在堰基偏上游堰坡處，最大值為2.9 cm；下游部分的水平位移指向下游，最大值發(fā)生在堰坡坡腳附近，最大值為6.9 cm。蓄水期堰體及堰基的水平位移大部分指向下游，指向下游的兩個(gè)極值區(qū)分別發(fā)生在防滲墻頂部和堰坡坡腳附近，最大值為27.2 cm，堰基偏底部小部分區(qū)域的水平位移指向上游，最大值為2.5 cm。

圖4　完建期和蓄水期堰體的水平位移圖（單位：m）Fig.4　The horizontal displacement diagram of the cofferdam in the construction period and impoundment period

同時(shí)，堰體的大、小主應(yīng)力分布基本均為壓應(yīng)力，并從堰面向堰內(nèi)逐漸增大，最大值發(fā)生在堰體底部的防滲墻附近，在防滲墻周邊應(yīng)力較為集中、梯度相對(duì)較大，其中，完建期大主應(yīng)力的最大值為2.39 MPa，為壓應(yīng)力，小主應(yīng)力的最小值為3.46 kPa，為壓應(yīng)力；蓄水期大主應(yīng)力的最大值為2.47 MPa，為壓應(yīng)力，小主應(yīng)力的最小值為57.52 kPa，為壓應(yīng)力，發(fā)生在防滲墻底部。如圖5和圖6所示。

2種工況下圍堰應(yīng)力及位移的主要計(jì)算成果見表3。

圖5　完建期和蓄水期堰體的大主應(yīng)力圖Fig.5　The large principal stress of the cofferdam in the construction period and impoundment period

圖6　完建期和蓄水期堰體的小主應(yīng)力圖Fig.6　The small principal stress of the cofferdam in the construction period and impoundment period

表3　2種工況下圍堰位移應(yīng)力主要計(jì)算結(jié)果表Tab.3　The main results of displacement and stress of the cofferdam in the construction period and impoundment period

4　結(jié)語

本文以某水電站工程圍堰為例，研究了深厚覆蓋層地基高土石圍堰在完建期和蓄水期2種工況下的應(yīng)力變形特性，通過計(jì)算分析得出了2種工況下圍堰的位移及應(yīng)力變化情況，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）在圍堰完建期，堰體垂直位移的方向均豎直向下，最大垂直位移發(fā)生在堰體底部，并以此為中心，堰體其它部分的垂直位移則逐漸減小。堰體及堰基的水平位移呈現(xiàn)兩種趨勢(shì)，上游部分的水平位移指向上游，但趨勢(shì)不太明顯，最大值發(fā)生在堰基偏上游堰坡處，下游部分的水平位移指向下游，最大值發(fā)生在下游堰坡坡腳附近。

2）圍堰蓄水后，堰體垂直位移的分布規(guī)律與圍堰完建期的相似，堰體及堰基的水平位移均指向下游，兩個(gè)極值區(qū)分別發(fā)生在防滲墻頂部和堰坡坡腳附近。

3）在圍堰完建期，堰體的大、小主應(yīng)力基本均為壓應(yīng)力，應(yīng)力從堰面向堰內(nèi)逐漸增大，最大值發(fā)生在堰體底部的防滲墻附近。在防滲墻周邊應(yīng)力較為集中、梯度相對(duì)較大，大主應(yīng)力的最大值發(fā)生在防滲墻下部，小主應(yīng)力最小值亦出現(xiàn)在防滲墻底部，并在防滲墻底部局部范圍內(nèi)出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力區(qū)。蓄水期堰體的大、小主應(yīng)力的分布規(guī)律與完建期基本相同，但其絕對(duì)值均有所增大。

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（編輯李沈）

Stress and Deformation Analysis of High Earth-Rock Cofferdam on Deep Overburden Foundation

ZHANG Xiang1，CHE Mingjie2，F(xiàn)AN Yanxin2，DU Xin3，GUO Lanchun2
（1.GEPIC Darong Electric Power Company Limited，Lanzhou 730046，Gansu，China；2.College of Faculty of Water Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，Shaanxi，China；3.Yalong River Hydropower Development Company Limited，Chengdu 610051，Sichuan，China）

Based on the finite element analysis software Midas/GTS，and taking a large hydro-power station as an example，this paper analyzes through calculations the stressdeformation behaviors of the high earth-rock cofferdam on deep overburden foundation both in the construction period and impoundment period.The results show that under the two conditions，the direction of the vertical displacement of the cofferdam is downward with the maximum value occurring at the bottom；In the construction period，the horizontal displacements of the cofferdam and its foundation show two trends：the horizontal displacement of the upstream part is to the upstream and the downstream part to the downstream；in the impoundment period，the horizontal displacement of the cofferdam and its foundation are both to the downstream；The large and small principal stress distribution of the cofferdam is mainly compressible stress，which gradually increases from the surface to the center，and the maximum occurs near the cut-off wall，and the stress is concentrated in the cut-off wall surrounding with relatively large gradient.

deep overburden foundation；high earth-rock cofferdam；finite element analysis；stress-deformation behavior

1674-3814（2015）12-0121-05

TV641.4

A

2015-08-15。

張祥（1983—），男，工程師，主要從事工程管理；

車明杰（1989—），男，在讀碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)分析及數(shù)值仿真研究。