輸水工程取水首部圍堰防滲及穩(wěn)定性分析

秦增平

（遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110000）

1 工程概況

輸水工程取水首部圍堰位于桓仁水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)，圍堰長(zhǎng)81.7 m，堰頂高程307.6 m，頂寬13.0 m，最大堰高51.4 m（軸線處）。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，相應(yīng)庫(kù)水位304.89 m。根據(jù)工程重要性，施工防洪度汛標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)庫(kù)水位307.11 m。圍堰防滲體頂高程305 m。上游邊坡1∶1.5，下游邊坡1∶1.75。

取水首部圍堰和傳統(tǒng)圍堰基礎(chǔ)差別很大，該圍堰基礎(chǔ)沉積層不充分且修建在厚度不足18 m的河床上，地質(zhì)地形條件復(fù)雜；采用鉆爆法洞挖石渣拋填修筑而成，缺乏良好的邊界制約條件；圍堰防滲體采用常規(guī)水泥灌漿很難形成有效防滲帷幕，經(jīng)過研究，圍堰堰體沿圍堰中線設(shè)4排灌漿孔。上、下游兩排采用膏漿灌漿，設(shè)計(jì)排距3.5 m，孔距1.0 m。中間2排采用帷幕灌漿，設(shè)計(jì)排距1.0 m，孔距2.0 m。

取水首部圍堰擋水深度33.7 m，是整個(gè)輸水工程的關(guān)鍵部位，其修建成功與否決定著整個(gè)輸水工程的成敗。圍堰防滲和穩(wěn)定性分析計(jì)算對(duì)后續(xù)工程安全具有重要意義，一旦出現(xiàn)事故將會(huì)產(chǎn)生難以估量的生命財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)影響。

2 計(jì)算原理

靜力計(jì)算采用增量分析方法以模擬實(shí)際的施工過程，該結(jié)構(gòu)模型采用鄧肯張E-B模型，其平面應(yīng)變條件下的增量應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系由下式表示：

式中：△σx，△σy和△τxy為應(yīng)力增量；△εx，△εy和△γxy為應(yīng)變?cè)隽?；為鄧肯張E-B模型的彈性矩陣，如式（2）所示：

式中：B為體積模量；E為彈性模量。

處于加載狀態(tài)的土體單元，式（2）中的E為切線彈性模量，其表達(dá)式為：

研究表明，堆石體的摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度包線呈現(xiàn)非線性，故可用下式對(duì)其修正：

體積模量B與泊松比滿足下式：

以上各式中：c為土體凝聚力，kPa；φ為土體內(nèi)摩擦角；φ0和△φ為非線性摩擦角試驗(yàn)參數(shù)；K為彈性模量系數(shù)；n為彈性模量指數(shù)；Kup為回彈模量系數(shù)；Kb為體積模量系數(shù)；m為體積模量指數(shù)；Rf為破壞比；Pa為大氣壓。

3 圍堰結(jié)構(gòu)數(shù)模分析

3.1 計(jì)算內(nèi)容

對(duì)取水首部圍堰工程進(jìn)行數(shù)值分析，檢驗(yàn)圍堰結(jié)構(gòu)的安全性。計(jì)算內(nèi)容包括：采用非線性增量有限元方法，計(jì)算模型采用鄧肯EB模型，計(jì)算拋填完成后圍堰結(jié)構(gòu)在自重作用下的應(yīng)力與變形，計(jì)算灌漿后圍堰結(jié)構(gòu)在水壓力作用下的應(yīng)力和變形，計(jì)算灌漿防滲體在基坑抽干無水時(shí)和基坑降水過程中的應(yīng)力大小。

3.2 計(jì)算模型

取水首部圍堰上游設(shè)計(jì)水位301.14 m，下游設(shè)計(jì)水位285 m。計(jì)算的圍堰斷面見圖1，計(jì)算斷面的有限元網(wǎng)格見圖2。計(jì)算時(shí)，圍堰底部位移約束。

圖1 圍堰斷面

圖2 圍堰斷面有限元網(wǎng)格圖

3.3 計(jì)算參數(shù)

3.3.1 有限元靜計(jì)算參數(shù)

拋石的材料參數(shù)參考拋填防波堤堆石參數(shù)的靜三軸固結(jié)排水試驗(yàn)結(jié)果，見表1。灌漿防滲體材料參數(shù)參照文獻(xiàn)中1990年現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)測(cè)（1989年4月開始灌漿）試驗(yàn)參數(shù)，見表2。

表1 鄧肯E-B模型參數(shù)

表2 線彈性材料參數(shù)

3.3.2 穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

堆石體穩(wěn)定分析采用的強(qiáng)度指標(biāo)見表3。

表3 穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果

采用增量分析方法模擬了圍堰結(jié)構(gòu)以及灌漿防滲體的施工過程。主要分析圍堰填筑完成后（上、下游水位均為301.14 m）圍堰的應(yīng)力與位移以及防滲體灌漿完成基坑降水過程（上游水位不變，下游水位降至285 m）中防滲體的應(yīng)力，計(jì)算成果，見表4。

表4 靜力計(jì)算極值表

3.4.1 圍堰結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

填筑完成后，圍堰結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在圍堰底部軸線附近，大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值分別為300 kPa和100 kPa，主應(yīng)力等值線與圍堰邊坡基本平行。防滲體灌漿完成并將基坑水位降至285 m時(shí)，由于上游水壓力和下游浮托力減小的作用，主應(yīng)力有所增加，大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值分別為342 kPa和126 kPa?？梢钥闯?，有限元靜力計(jì)算的應(yīng)力分布符合一般規(guī)律。

3.4.2 圍堰結(jié)構(gòu)的位移分析

填筑完成后，圍堰結(jié)構(gòu)沉降最大值為11 cm；防滲體灌漿完成并將基坑水位降至285 m時(shí)，由于下游浮托力減小引起的圍堰結(jié)構(gòu)沉降為3.1 m。圍堰結(jié)構(gòu)順河向位移最大值為4.8 cm（向上游）和0.6 m（向下游）；防滲體灌漿完成并將基坑水位降至285 m時(shí)，由于水壓力的作用引起的向下游的水平位移為4.3 cm。

3.4.3 灌漿防滲體應(yīng)力分析

灌漿完成時(shí)，防滲體最大壓應(yīng)力是610 kPa，防滲體不承受拉應(yīng)力；上游水位保持不變，將基坑水位降至285 m時(shí)，防滲體最大壓應(yīng)力是2 407 kPa，防滲體最大拉應(yīng)力為710 kPa，拉應(yīng)力范圍位于防滲體底部上游側(cè)區(qū)域。

上游水位保持不變且下游水位變化過程中，防滲體最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力的變化?？梢钥闯觯S著下游水位的降低，防滲體的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力逐漸增大。

3.4.4 防滲體模量影響分析

為了研究防滲體模量對(duì)防滲體應(yīng)力和豎向沉降的影響，將防滲體模量取為10 004 MPa（1991—1992年現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)測(cè)）。為分析防滲體模量的影響，將防滲體模量取為6 500 MPa。防滲體灌漿完成時(shí)，以及將基坑水位降至285 m時(shí)，灌漿防滲體的最大拉壓應(yīng)力，見表5。

表5 防滲體應(yīng)力極值表（應(yīng)力以壓為正）

防滲體模量增大后（取為6 500 MPa和10 004 MPa），灌漿完成時(shí)，上下水位均為301.14 m，防滲體最大壓應(yīng)力差別不大（50 kPa以內(nèi)），無拉應(yīng)力出現(xiàn)。當(dāng)保持上游水位不變，下游水位降至285 m時(shí)，防滲體最大壓應(yīng)力為3 095 kPa（防滲體模量取為6 500 MPa）和3 580 kPa（防滲體模量取為10 004 MPa）；最大拉應(yīng)力為1 210 kPa（防滲體模量取為6 500MPa）和1 760 kPa（防滲體模量取為10 004 MPa），拉應(yīng)力范圍位于防滲體底部左側(cè)區(qū)域。

4 主要結(jié)論

通過數(shù)模分析，對(duì)取水首部圍堰工程進(jìn)行了深入、細(xì)致的研究，其成果可作為圍堰工程安全評(píng)價(jià)的依據(jù)，并可供工程設(shè)計(jì)參考。主要結(jié)論歸納如下：

1）圍堰的位移與應(yīng)力

填筑完成后，圍堰結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在圍堰底部軸線附近，大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值分別為300 kPa和100 kPa，主應(yīng)力等值線與圍堰邊坡基本平行。

防滲體灌漿完成并將基坑水位降至285 m時(shí)，由于上游水壓力和下游浮托力減小的作用，主應(yīng)力有所增加，大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值分別為342 kPa和126 kPa。由于水壓力和下游浮托力減小引起的圍堰結(jié)構(gòu)沉降為3.1 cm，向下游的水平位移為4.3 cm。

2）防滲體應(yīng)力

防滲體模量取為3 112 MPa，灌漿完成時(shí)，防滲體最大壓應(yīng)力是610 kPa，防滲體不承受拉應(yīng)力；上游水位保持不變，隨著下游水位的降低，防滲體的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力逐漸增大。將基坑水位降至285 m時(shí)，防滲體最大壓應(yīng)力是2 407 kPa，防滲體最大拉應(yīng)力為710 kPa。

防滲體模量增大后（分別取為6 500 MPa和10 004 MPa），當(dāng)保持上游水位不變，下游水位降至285 m時(shí)，防滲體最大壓應(yīng)力為3 095 kPa（防滲體模量取為6 500 MPa）和3 580 kPa（防滲體模量取為10 004 MPa）；最大拉應(yīng)力為1 210 kPa（防滲體模量取為6 500 MPa）和1 760 kPa（防滲體模量取為10 004 MPa），拉應(yīng)力范圍位于防滲體底部上游側(cè)區(qū)域。

［1］郎秀艷.調(diào)水隧洞廢棄石渣填筑圍堰防滲施工技術(shù)的應(yīng)用［J］.陜西水利，2015（3）.

［2］李定忠，曾凡順.控制性灌漿在土石圍堰防滲中的應(yīng)用［J］.水利水電施工,2007（3）.