深厚覆蓋層上土石圍堰的應(yīng)力變形研究

毛璐明，田威，楊玉群

（1.陜西省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西西安 710075；2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061）

深厚覆蓋層上土石圍堰的應(yīng)力變形研究

毛璐明1，田威2，楊玉群1

（1.陜西省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西西安 710075；2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061）

以修建于深厚覆蓋層上的土石圍堰為研究對象，利用有限元軟件ANSYS分步模擬堰體填筑和大壩基坑開挖過程。重點(diǎn)研究圍堰竣工及基坑開挖的過程中堰體與混凝土防滲墻的應(yīng)力變形特征。計(jì)算結(jié)果表明：整個(gè)施工過程中堰體與防滲墻沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的位移分布規(guī)律良好，數(shù)值均在變形合理范圍內(nèi)，且各應(yīng)力特征值均未超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該圍堰與防滲墻從施工期到運(yùn)行期都是安全穩(wěn)定的。

土石圍堰；混凝土防滲墻；深厚覆蓋層；有限元；應(yīng)力變形

圍堰是臨時(shí)擋水建筑物，修建的目的是為了使水利樞紐建筑物能在干地上進(jìn)行施工和檢修。它的受力及變形狀態(tài)對整個(gè)工程的施工安全起決定作用[1-2]。

20世紀(jì)90年代，我國興建的長江三峽深水高土石圍堰被國務(wù)院三峽建設(shè)委員會初步設(shè)計(jì)審查核心專家組確定為唯一的必須進(jìn)行單項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)的臨時(shí)工程[3]。該圍堰從研究、設(shè)計(jì)到建設(shè)運(yùn)行，歷經(jīng)了18年[4-5]，其中試驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)分析階段就長達(dá)11年。可見圍堰在大型水利工程中的重要性，它的設(shè)計(jì)與施工正越來越受到人們的關(guān)注。

我國西部地區(qū)水能資源豐富，隨著“西電東送”等重大項(xiàng)目的落實(shí)實(shí)施，越來越多的大型、特大型水電工程坐落于此，于是大量的土石圍堰工程也破土動工。但該區(qū)域普遍存在壓縮性較高的深厚覆蓋層，大量的工程經(jīng)驗(yàn)證明[6-9]，修建在深厚覆蓋層上的土石圍堰堰體及其防滲墻的應(yīng)力變形特性是影響整個(gè)圍堰工程安全的關(guān)鍵，因此在施工的全過程中它們的穩(wěn)定性都需要特別關(guān)注。

本文以西部某二等大（2）型水電站的上游圍堰為例，通過模擬堰體分層填筑的過程，研究堰體和混凝土防滲墻的應(yīng)力變形特性，為圍堰能否安全運(yùn)行作出評價(jià)。

1 工程概況

某水電站位于西部一江的中游段，裝機(jī)容量510 MW。大壩為混凝土重力壩，正常蓄水位3 310.0 m，

壩頂高程3 314.0 m，大壩基礎(chǔ)高程3 198.0 m，最大壩高116.0 m，壩頂長377.60 m，采用壩后式地面廠房。本工程為二等大（2）型，主要建筑物為2級，相應(yīng)導(dǎo)流建筑物為4級。壩址區(qū)為深切的高山峽谷，兩岸基巖出露，巖性以花崗巖為主。壩址河床覆蓋層最大厚度約45.0 m，枯期河床水面寬約120.0 m，水深約4.0 m。

該工程二期大壩基坑上游圍堰采用土工膜斜墻土石圍堰，堰頂高程3 280.0 m，最大堰高39.0 m，堰基采用封閉式砼防滲墻，防滲墻最大深度52.0 m。下游采用心墻土石圍堰，堰頂高程3 260.0 m，最大堰高16.0 m，堰基采用封閉式混凝土防滲墻，防滲墻最大深度48 m。其典型剖面如圖1所示。

圖1 圍堰典型剖面Fig.1 Typical sections of the cofferdam

2 堰體三維有限元模型與計(jì)算參數(shù)

2.1 基本假定

1）覆蓋層土體、堰體堆石料為連續(xù)的彈塑性體，符合Mohr-Coulomb條件[10-11]，采用八節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元。

2）混凝土防滲墻及基巖視為線彈性體，均選用八節(jié)點(diǎn)四面體單元。

3）封閉式混凝土防滲墻與覆蓋層土體，以及堰體堆石料界面采用面-面的摩擦接觸單元。

4）上游的水壓力以梯度荷載的形式施加于堰坡及覆蓋層上。

2.2 有限元模型尺寸及邊界條件

有限元模型計(jì)算區(qū)域：上游邊界為上游圍堰防滲帷幕向上游延伸200 m，左岸邊界為左岸堰肩以左100.0 m，右岸邊界為右岸堰肩以右100.0 m，下游邊界自上游圍堰坡腳向下游延165 m，達(dá)到壩軸線處。垂直向自弱風(fēng)化層下限向下延50 m。坐標(biāo)采用笛卡兒直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于圍堰軸線與堰體典型剖面交點(diǎn)的0標(biāo)高處。以橫河向?yàn)閤軸，指向左岸為正向；以順河向?yàn)閦軸，指向下游為正向；以垂直向?yàn)閥軸，垂直向上為正。計(jì)算模型的約束條件為：覆蓋層表面為自由邊界，不受任何約束；計(jì)算模型底部邊界為3個(gè)方向的全約束；其余邊界面均施加法向約束。模型如圖2所示。其中單元數(shù)218 717個(gè)，結(jié)點(diǎn)數(shù)39 609個(gè)。

圖2 有限元網(wǎng)格示意圖Fig.2 FEM mesh of the cofferdam

2.3 計(jì)算參數(shù)的選取

上游圍堰三維應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算區(qū)域內(nèi)共涉及到13種材料，它們分別為：截流戧堤、堰體堆石料、噴混凝土、堰坡干砌石、帷幕灌漿、導(dǎo)流明渠混凝土、混凝土防滲墻、覆蓋層2（alQ4）、覆蓋層1（fglQ3）、基巖Ⅳ、基巖Ⅲ1、基巖Ⅲ2和基巖Ⅱ。具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

防滲墻與覆蓋層、基巖，以及堰體堆石料界面的接觸面單元的具體計(jì)算參數(shù)如表2所示。

3 填筑與計(jì)算過程

利用ANSYS軟件中“殺死”和“激活”單元的功

能，對大壩基坑開挖的彈塑性應(yīng)力變形進(jìn)行研究，數(shù)值模擬的具體過程如下：

表2 計(jì)算采用的接觸面模型參數(shù)Tab.2 Interface model parameters in the calculation

第一步：施工截流戧堤和防滲墻施工平臺；

第二步：施工混凝土防滲墻；

第三步：施工高程3 260 m以下上游圍堰，堰前及導(dǎo)流明渠中按水位高程3 248.00 m施加水壓力；

第四步：施工高程3 264 m以下上游圍堰；

第五步：施工高程3 268 m以下上游圍堰；

第六步：施工高程3 272 m以下上游圍堰；

第七步：施工高程3 276 m以下上游圍堰；

第八步：施工高程3 280 m以下上游圍堰、土工膜及堰坡干砌石（圍堰竣工）；

第九步：堰后基坑開挖至高程3 234 m，堰前水位上升至高程3 277.90 m；

第十步：堰后基坑開挖至高程3 219 m；

第十一步：堰后基坑開挖至高程3 210 m；

第十二步：堰后基坑開挖至高程3 198 m。

4 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果按照圍堰竣工與大壩基坑開挖完成兩個(gè)階段進(jìn)行整理。ANSYS軟件中規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。主要分析堰體及防滲墻的變形規(guī)律，以及安全穩(wěn)定性。

4.1 堰體變形及應(yīng)力

從圖3中可以看出，圍堰碾壓到設(shè)計(jì)高程3 280 m時(shí)，堰體的最大沉降量約為34.46 cm。最大沉降量發(fā)生在約1/3堰高處，堰體的沉降曲線呈以堰體中心線為中心的同心圓圈分布。垂向變形規(guī)律與一次加載，壩頂處沉降量最大明顯不同。這是由于圍堰逐級填筑，假定變形在施工中瞬時(shí)完成，則下部結(jié)構(gòu)的自重不影響上部結(jié)構(gòu)的變形。當(dāng)堰體施工到某一高程，這個(gè)高程以下土重引起的沉降已經(jīng)發(fā)生，此高程上各點(diǎn)如果發(fā)生位移，僅僅是其上土的自重所引起的。壩頂以上不再有荷載，故豎向位移為零。

圖3 圍堰竣工時(shí)沉降等值線圖Fig.3 The subsidence isogram upon the cofferdam completion

擋水后開始進(jìn)行大壩基坑開挖。如圖4所示，開挖完成時(shí)圍堰的最終沉降量為38.83 cm，較圍堰竣工時(shí)有所增加，不過仍小于堰高的1%，在土石圍堰變形的合理范圍內(nèi)。

圖4 大壩基坑開挖完成時(shí)沉降等值線圖Fig.4 The subsidence isogram upon the excavation completion

堰體上游的側(cè)向水平位移指向上游，下游水平位移指向下游，基本呈對稱分布，見圖5（a）、（b）。

圖5 圍堰順河向位移等值線圖Fig.5 The displacement contour of the cofferdam

堰體竣工時(shí)，上游水平位移最大值10.46 cm，下游水平位移最大值14.76 cm。擋水后由于水壓力的作用，整個(gè)堰體均發(fā)生向下游的水平變形，指向上游的位移明顯減小，下游水平位移有所增大。大壩基坑開挖完成時(shí)，上游水平位移最大值減小到5.35 cm，下游水平位移最大值增加了3.34 cm。

如圖6（a）、（b）所示，堰體從竣工到大壩開挖完成，最大應(yīng)力水平從0.49逐步增大到0.76。根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則可以判定從填筑碾壓到大壩基坑開挖的整個(gè)過程中，堰體邊坡都是安全的。

4.2 混凝土防滲墻的應(yīng)力變形

圖7反映出從圍堰填筑至高程3 272 m到大壩基坑開挖完成，混凝土防滲墻沿x軸方向的變形基本規(guī)律。施工的整個(gè)過程中，防滲墻x、y和z 3個(gè)方向的位

移分布規(guī)律良好。橫河x軸方向的位移左右岸對稱分布，最大值出現(xiàn)在防滲墻頂部，最大位移量約為-0.52 cm/0.50 cm。

圖6 圍堰應(yīng)力水平等值線圖Fig.6 The stress level contour of the cofferdam

圖7 防滲墻x方向的最大水平位移Fig.7 The max displacement in x direction of the cutoff wall

垂直向最大沉降量出現(xiàn)在防滲墻頂部，呈現(xiàn)以防滲墻頂部中心為圓心的半圓形同心圓分布如圖8所示?？⒐r(shí)垂直向最大沉降量為2.85 cm。在模擬大壩基坑開挖的過程中覆蓋層卸荷，使得防滲墻豎向變形產(chǎn)生少量的回彈，最大沉降量降至2.02 cm。

圖8 防滲墻垂向位移等值線圖Fig.8 The vertical displacement contour of the cutoff wall

觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)，防滲墻順河水平方向受力相當(dāng)于一塊文克萊彈性地基板，因此順河水平方向位移呈現(xiàn)以防滲墻中心為圓心的同心圓，最大位移位置在防滲墻2/3高度處。圍堰竣工時(shí)，由于堰體自重壓縮覆蓋層產(chǎn)生側(cè)向位移，導(dǎo)致順河水平方向位移最大值為11.03 cm，指向上游。圖10反映了計(jì)算過程六至十二步，防滲墻沿z軸方向的變形規(guī)律。從圖中可以看出第九步圍堰擋水后，水壓力有把防滲墻推向下游的作用，因此防滲墻指向上游的位移顯著減小，最終為5.1 cm。之后基本保持不變，說明基坑開挖對防滲墻z軸方向的變形影響很小。

圖9 防滲墻z向位移等值線圖Fig.9 The displacement contour in z direction of the cutoff wall

圖10 防滲墻z方向的最大水平位移Fig.10 The max displacement in z direction of the cutoff wall

由于防滲墻兩側(cè)地層不均勻，因此，防滲墻應(yīng)力分布比較復(fù)雜，規(guī)律性不明顯。各應(yīng)力特征值見表3。

表3 防滲墻應(yīng)力極值Tab.3 Maximum values of stress

根據(jù)表3可以看出：從圍堰碾壓至設(shè)計(jì)高程到大壩基坑開挖完成的整個(gè)過程中，防滲墻的壓應(yīng)力均未超過C15混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值7.2 MPa，且未出現(xiàn)拉應(yīng)力，產(chǎn)生拉裂縫的幾率很小。防滲墻的最大應(yīng)力水平也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則可以判定在整個(gè)施工過程中防滲墻的受力是安全的[6]。

5 結(jié)論

本文通過對某深厚覆蓋層上土石圍堰及防滲

墻的受力變形分析，可以得出以下結(jié)論：

1）在數(shù)值模擬整個(gè)施工工程中，圍堰的最大沉降量小于堰高的1%，在堰體豎向變形的合理范圍內(nèi)。由于深厚覆蓋層具有一定壓縮性，因此堰體最大沉降出現(xiàn)的位置下移到約1/3堰高處。

2）從堰體填筑碾壓到大壩基坑開挖的整個(gè)過程中，堰體的應(yīng)力水平逐步增大，但始終沒有超過0.8，根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則可以判定，堰體邊坡都是安全的。

3）施工的整個(gè)過程中，防滲墻x、y、z 3個(gè)方向的位移分布規(guī)律良好，墻體所受應(yīng)力均在合理范圍內(nèi)，最大應(yīng)力水平僅為0.15，可以判定防滲墻的施工在理論上是安全的。

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Study on Stress and Deformation of Earth-Rock Cofferdam on Deep Overburden

MAO Luming1，TIAN Wei2，YANG Yuqun1
（1.Shaanxi Electric Power Corporation Economic Research Institute，Xi’an 710075，Shannxi，China；2.School of Civil Engineering，Chang’an University，Xi’an 710061，Shaanxi，China）

This paper takes the earth-rock cofferdam on the deep overburden as its main study object and numerically simulates the cofferdam filling and dam excavation process using FEM software ANSYS.The research is mainly focused on the stress and deformation characteristic of the cofferdam and concrete cutoff wall during completion and excavation processes.The results show that displacements of the cofferdam and cutoff wall are well distributed in three coordinate axes during the entire construction with all the values within the acceptable dis-formation limit and stress characteristic values not exceeding the design standard，and the cofferdam and cutoff wall are safe and stable both in construction period and operation period.

earth-rock cofferdam；concrete cutoff wall；deep overburden；finite element method；stress and deformation

2016-03-15。

毛璐明（1985—），女，工程師，主要從事電網(wǎng)工程建設(shè)等相關(guān)工作。

（編輯 黃晶）

陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015JM5160）。

Project Supported by the Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2015JM5160）.

1674-3814（2016）09-0141-05

O319.56

A