雙曲拱壩施工穩(wěn)定性控制研究

(福建省金禹建設(shè)工程有限公司，福建 寧德 352100)

1 工程概況

八峰水庫(kù)大壩拱壩設(shè)計(jì)為雙曲拱壩，壩平面拱圈為三心變厚圓，其上下壩面均為空間曲面，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的連續(xù)性要求更高，施工精度要求嚴(yán)格。在施工過(guò)程中，每個(gè)倉(cāng)位尺寸都在變化，如何精確、有效地控制壩體體型是雙曲拱壩施工中的難點(diǎn)。本文以此工程為例對(duì)雙曲拱壩施工穩(wěn)定性控制進(jìn)行分析和探討。

2 地質(zhì)情況

八峰水庫(kù)雙曲拱壩壩址在蘇總愛(ài)的河谷呈現(xiàn)“V”形，壩區(qū)所在地區(qū)地勢(shì)南側(cè)低，北側(cè)高，右岸坡較陡，左岸坡較緩。壩區(qū)右岸為斜反向坡，左岸為斜順向坡，壩區(qū)地層為玄武巖，巖性均勻、堅(jiān)硬。壩區(qū)位置斷層比較發(fā)育，并且陡傾角為60°以上，左岸出露有F17斷層，右岸出露有F16斷層。

3 數(shù)值模型介紹

3.1 有限元分析法

有限元分析法以連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散來(lái)近似代替連續(xù)體結(jié)構(gòu)，然后等效或簡(jiǎn)化約束、荷載等邊界條件，利用本構(gòu)關(guān)系和應(yīng)變關(guān)系使平衡方程轉(zhuǎn)變成線性方程組進(jìn)行求解。該工程在進(jìn)行分析時(shí)，使用有限元MIDAS軟件構(gòu)建壩肩三維地質(zhì)模型[1]。

3.2 模型的邊界條件和范圍

因?yàn)樵摴こ趟诘貐^(qū)的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，得到的數(shù)值模型一般不完全符合工程的實(shí)際情況，因此，要簡(jiǎn)化模型，針對(duì)弱風(fēng)化玄武巖和微風(fēng)化玄武巖中發(fā)育比較大的斷層(F16和F17)，將模型劃分成了43個(gè)幾何體。在設(shè)計(jì)時(shí)，該模型選擇的范圍很大，以降低邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響。以X軸為橫河向(指向右岸為正)，以Y軸為順河向(指向下游為正)，以Z軸方向?yàn)殂U垂方向(向上為正)，以地表作為Z方向的頂面，高程為1328m。高程為0的位置為底面。計(jì)算模型的邊界條件只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)時(shí)比較簡(jiǎn)單，三維空間分析面為X-Y-Z軸所在的面，設(shè)計(jì)模型初始邊界條件的約束如下：底面邊界限定為全約束，將X方向位移限定為Y方向左右邊界，以X方向前邊界和邊界對(duì)Y方向位移進(jìn)行限定[2]。

3.3 模型參數(shù)值的選取

使用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論對(duì)模型巖體進(jìn)行分析，使用彈性模型分析混凝土雙曲拱壩，然后根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘察資料及地質(zhì)勘察報(bào)告中得到的玄武巖參數(shù)值設(shè)計(jì)有限元模型中巖土的物理參數(shù)(見(jiàn)下表)。

材料物理參數(shù)表

3.4 有限元模型

采用混合六面體網(wǎng)格對(duì)各單元進(jìn)行劃分，分別將四面體和四棱錐進(jìn)行組合后生成各單元。按照設(shè)計(jì)的開(kāi)挖坡比布置壩肩拱肩槽。開(kāi)挖時(shí)，分9步對(duì)拱肩槽開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬，劃分好網(wǎng)格后，共得到607522個(gè)單元和352443個(gè)節(jié)點(diǎn)。

按照工程地質(zhì)報(bào)告相關(guān)數(shù)據(jù)及拱壩壩基巖體類型設(shè)計(jì)混凝土雙曲拱壩相關(guān)參數(shù)如下：壩頂高程833m；壩高288m；壩底高程544m；底寬71m，頂寬12m。按8個(gè)級(jí)別加載拱壩來(lái)對(duì)壩體的整個(gè)修建過(guò)程進(jìn)行模擬，共設(shè)計(jì)3890個(gè)拱壩單元數(shù)與2995個(gè)節(jié)點(diǎn)[3]。

4 分析位移場(chǎng)

將重力影響變形因素消除以后，在模型位移云圖中沒(méi)有產(chǎn)生彩色云塊，在未開(kāi)挖前，3個(gè)方向產(chǎn)生的位移值都是0，證明該模型合理。

4.1 開(kāi)挖分析

在開(kāi)挖拱壩拱肩槽時(shí)，兩岸壩肩會(huì)逐步減小荷載，在邊坡臨空面出現(xiàn)了較大變形。分析時(shí)，只選擇較典型的高程作為平切面來(lái)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖1)后發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)挖壩肩槽時(shí)巖體出現(xiàn)了卸荷回彈的情況，在拱肩槽和右岸斷層交匯的位置會(huì)出現(xiàn)較大位移，形成的張力帶入圖1中的①區(qū)域，隨著開(kāi)挖的不斷進(jìn)行，坡腳越來(lái)越陡，坡面周圍張力帶范圍也隨之增強(qiáng)和擴(kuò)大。變形方向會(huì)順著兩岸的臨空面方向發(fā)展，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，Z方向出現(xiàn)的位移也會(huì)隨之變大[4]。

圖1 高程平切圖

4.2 筑壩過(guò)程

隨著壩體開(kāi)挖的不斷進(jìn)行，壩肩巖體的應(yīng)力會(huì)重新分布，隨著高程的增加應(yīng)力會(huì)逐步降低，低高程位置的應(yīng)力較大，高高程位置的應(yīng)力較小，在進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，主應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變化，壓應(yīng)力為最大主應(yīng)力，量值為20.70MPa。也就是說(shuō)應(yīng)力隨深度的變化情況與河谷的一般應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律一致。壓應(yīng)力為坡體的總體壓力，并呈現(xiàn)為從外向內(nèi)壓應(yīng)力逐步變大的特點(diǎn)。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，拱肩和筑壩施工完成后主應(yīng)力產(chǎn)生的變化較小，證明筑壩作業(yè)過(guò)程中沒(méi)有過(guò)大影響壩肩巖體，不過(guò)壩肩和拱壩接觸位置的應(yīng)力較集中。完成筑壩作業(yè)后，拱壩自重將河床底部的一部分應(yīng)力抵消掉。

圖2 不同高程處第一主應(yīng)力云圖

5 雙曲拱壩施工穩(wěn)定性控制措施

5.1 穩(wěn)定性控制方案

通過(guò)利用有限元法對(duì)雙曲拱壩施工過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析后，針對(duì)性地提出了雙曲拱壩施工穩(wěn)定性控制措施，具體如下：

a.開(kāi)挖過(guò)程中，要將上游坡和下游坡中1675m高程下游坡1、1755m高程下游坡3、1715m高程上游坡和1744m高程上游坡清除，或采用錨固方式進(jìn)行加固，從而保證壩體施工穩(wěn)定性。

b.在開(kāi)挖1755m高程四周的邊坡時(shí)，需要采用錨索進(jìn)行加固，以保證壩體穩(wěn)定性。

c.對(duì)壩體邊坡中部坡面和上部坡面在進(jìn)行施工時(shí)，要使用錨索或系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加固。

d.施工過(guò)程中遇到暴雨天氣時(shí)，由于拱肩槽穩(wěn)定性差，要先采用防滲排水處理的方法對(duì)滑移面進(jìn)行處理，并做好鋪蓋防滲工作[5]。

5.2 錨噴支護(hù)施工措施

該工程施工時(shí)，以錨桿和掛網(wǎng)噴混凝土的方法進(jìn)行錨噴支護(hù)施工。以干噴法進(jìn)行掛網(wǎng)噴混凝土邊坡的噴護(hù)作業(yè)，以0.35m3強(qiáng)制式攪拌機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)制作噴射混凝土，然后用噴射機(jī)進(jìn)行噴射作業(yè)。

在進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，要按照先挖后錨的原則開(kāi)展支護(hù)作業(yè)，在進(jìn)行施工時(shí)，首先一次性完成坡面開(kāi)挖，然后搭設(shè)好排架，進(jìn)行錨桿施工，并拆除排架，排架拆除后進(jìn)行二次開(kāi)挖施工。在進(jìn)行錨桿鉆孔作業(yè)時(shí)，需要先將保護(hù)層預(yù)留出來(lái)，預(yù)留厚度為3m，然后再進(jìn)行二次開(kāi)挖。需注意，在預(yù)留保護(hù)層厚度內(nèi)無(wú)須設(shè)置錨桿。

嚴(yán)格按照規(guī)范要求和技術(shù)要求進(jìn)行錨桿噴射混凝土施工，施工按照一邊開(kāi)挖邊坡一邊進(jìn)行封閉、施工緊跟開(kāi)挖工作面的原則進(jìn)行。施工時(shí)，利用錨桿鎖定邊坡的淺表層，保證了邊坡的穩(wěn)定性。施工過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)闇\層支護(hù)滯后而影響邊坡穩(wěn)定性的情況。

5.3 錨索施工支護(hù)措施

在進(jìn)行大壩左岸基礎(chǔ)支護(hù)和開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，主要須對(duì)拱肩槽下游側(cè)坡、拱肩上游側(cè)坡、拱肩槽槽坡3個(gè)區(qū)域進(jìn)行施工。將預(yù)應(yīng)力錨索分別布置到拱肩槽下游側(cè)坡、拱肩槽上游側(cè)坡。采用淺層支護(hù)的方式對(duì)拱肩槽后坡進(jìn)行支護(hù)，設(shè)計(jì)錨索的噸位分別為2000kN和1000kN，使用全液壓錨固鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔設(shè)置。采用錨索進(jìn)行支護(hù)，受力非常穩(wěn)定，雖然在進(jìn)行拱壩開(kāi)挖施工時(shí)出現(xiàn)了輕微波動(dòng)，但壩體的整體變化趨勢(shì)比較穩(wěn)定，保證了壩體開(kāi)挖施工過(guò)程中邊坡的穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以實(shí)際工程為例，采用有限元法對(duì)雙曲拱壩施工過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，較客觀地對(duì)雙曲拱壩壩肩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該雙曲拱壩在開(kāi)挖壩肩槽后臨空面持續(xù)了卸荷回彈變形的情況，右岸出現(xiàn)的變形要大于左岸，并且變形主要出現(xiàn)在邊坡淺表層。對(duì)壩體進(jìn)行開(kāi)挖后，壩體巖體應(yīng)力重新分布，而且隨著拱壩高程的不斷增加，應(yīng)力越來(lái)越低。結(jié)合壩體施工的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用錨索支護(hù)和錨噴支護(hù)的方法對(duì)施工過(guò)程中壩體邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行控制。雙曲拱壩修筑完成后，在重力的影響下，壩體自重將一部分應(yīng)力抵消掉，壩肩位置沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。從該工程的巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地質(zhì)資料以及有限數(shù)值分析結(jié)果來(lái)看，對(duì)壩體邊坡進(jìn)行加固處理后，雙曲拱壩壩肩在巖體開(kāi)挖施工過(guò)程中，處于穩(wěn)定狀態(tài)下，順利完成了施工，值得類似工程借鑒和參考。fffffa

[1] 徐湘濤.金沙江白鶴灘水電站高邊坡巖體力學(xué)特性及其穩(wěn)定性研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2012.

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