基于子模型法的高堆石壩壩基廊道抗震安全性研究

曹學(xué)興，何蘊(yùn)龍，遲福東，張 丹，熊 ，余記遠(yuǎn)

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司， 云南 昆明 650214；2.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；3.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072；4.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司, 湖北 武漢 430010)

深厚覆蓋層上的高心墻堆石壩，壩基與壩體結(jié)合部位的防滲，是大壩防滲的關(guān)鍵[1]，結(jié)合部位發(fā)生破壞，最終可能會(huì)導(dǎo)致大壩的破壞，對(duì)下游基礎(chǔ)設(shè)施及大眾安全、社會(huì)穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，后果不堪設(shè)想[2]。壩基深厚覆蓋層一般采用混凝土防滲墻防滲，防滲墻高出壩基面插入心墻或在其壩基面處設(shè)置灌漿廊道與心墻連接。國(guó)內(nèi)一些深厚覆蓋層上高土石壩工程，為做好防滲，帷幕灌漿量較大，如大渡河瀑布溝、寶興河蹺磧等，為避免帷幕灌漿施工占用直線工期，加快施工進(jìn)度，在壩基防滲墻與心墻結(jié)合部位均采用灌漿廊道連接，廊道內(nèi)也便于布置安全監(jiān)測(cè)儀器，加強(qiáng)對(duì)大壩的安全監(jiān)測(cè)，在運(yùn)行出現(xiàn)異常情況時(shí)為采取更多有效的措施提供了可能性。

大渡河長(zhǎng)河壩礫石土心墻堆石壩壩高240 m，建于覆蓋層最大厚度79.3 m的地基上，處于高地震烈度區(qū)，100年超越概率2%基巖水平峰值加速度為0.359g。該工程采用兩道全封閉混凝土防滲墻，在主防滲墻頂設(shè)置了城門(mén)洞型式的廊道與心墻連接，如圖1(a)、圖1(b)所示，廊道內(nèi)部尺寸3 m×4 m，側(cè)墻厚2 m，底板厚3 m。該廊道在河床段沿縱向不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，原設(shè)計(jì)在基巖覆蓋層分界線處分縫與兩岸灌漿平洞連接，但采用類似結(jié)構(gòu)的蹺磧及瀑布溝等工程均出現(xiàn)了廊道開(kāi)裂及止水破壞的現(xiàn)象[3-4]。經(jīng)深入研究后，壩基廊道改為深入基巖1 m與兩岸灌漿平洞有縫連接[5]，如圖1(c)所示。

目前已有的研究成果對(duì)深厚覆蓋層上壩基廊道的應(yīng)力變形規(guī)律認(rèn)識(shí)尚不成熟，長(zhǎng)河壩大壩壩高和地震烈度遠(yuǎn)超過(guò)已建類似工程，壩基廊道安全性問(wèn)題更為突出，開(kāi)展壩基廊道的應(yīng)力變形規(guī)律研究對(duì)保障壩基廊道的安全性有重要意義。本文采用基于子模型法[6-9]的三維非線性有限元對(duì)深厚覆蓋層中的壩基廊道進(jìn)行了精細(xì)模擬，先后對(duì)大壩-壩基整體及壩基廊道進(jìn)行了地震時(shí)程動(dòng)力計(jì)算，分析壩基廊道的靜動(dòng)力特性，評(píng)價(jià)其抗震安全性。

圖1大壩結(jié)構(gòu)型式圖

1 考慮圍壓效應(yīng)的土石材料動(dòng)本構(gòu)模型

靜力計(jì)算模擬了壩體分層填筑與蓄水過(guò)程，在靜力計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。動(dòng)力計(jì)算對(duì)傳統(tǒng)的Hardin-Drnevich模型進(jìn)行了改進(jìn)，以反映圍壓對(duì)材料動(dòng)力特性影響[10-12]，模型基本表達(dá)式如下：

G/Gmax=1/(1+(γd/γr)m)

(1)

λ=a3+a4(1-G/Gmax)a5

(2)

式中：G為等效剪切模量；Gmax為最大剪切模量；γd為動(dòng)剪應(yīng)變幅值;γr為參考剪應(yīng)變幅值；m為曲線形狀系數(shù)；λ為等效阻尼比；a3為基本阻尼比；a4、a5為形狀系數(shù)。

通過(guò)圖2可以看出，改進(jìn)的Hardin-Drnevich模型可較好反映長(zhǎng)河壩大壩心墻料和堆石料在動(dòng)力條件下的材料特性。

圖2大壩材料動(dòng)力特性參數(shù)曲線與試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)比

2 計(jì)算模型和材料參數(shù)

2.1 有限元計(jì)算模型

真實(shí)模擬了工程地形條件，建立了整體有限元整體模型和局部子模型，如圖3所示，整體模型有21 586個(gè)單元，子模型有13 176個(gè)單元。采用有厚度薄層單元模擬防滲墻與上下游側(cè)覆蓋層、防滲墻與周邊基巖以及廊道與兩岸平洞接縫等接觸[14-15]。子模型模擬的壩基防滲體系的細(xì)部構(gòu)造如圖4所示。

圖3 有限元模型

圖4子模型細(xì)部

2.2 材料參數(shù)與計(jì)算荷載

土石料與接觸面力學(xué)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，廊道、防滲墻和基巖均采用線彈性模型，動(dòng)力采用無(wú)質(zhì)量基巖模型計(jì)算，彈性模量在靜力的基礎(chǔ)上提高30%。地震波通過(guò)SHAKE91程序反演后進(jìn)行輸入，地震計(jì)算時(shí)長(zhǎng)30 s，水平向峰值為0.29g，豎直向峰值為0.193g。地震波時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5加速度時(shí)程曲線

3 靜力條件下壩基廊道應(yīng)力變形分析

在上覆壩體壓力及廊道自身重力作用下，廊道出現(xiàn)豎直向下的撓曲變形，在防滲墻的帶動(dòng)下發(fā)生向下游撓曲變形。兩種變形組合后在廊道軸線方向產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力，廊道兩端上游受拉，下游受壓，河床中部上游面受壓、下游面受拉。因壩基巖體的約束，基巖面處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，左右岸1/4跨位置上游面壓應(yīng)力較大，下游面拉應(yīng)力較大。表1列出了靜力條件下廊道沿各方向的變形和正應(yīng)力極值。

表1 壩基廊道應(yīng)力變形最值

4 地震條件下廊道應(yīng)力變形分析

4.1 整體應(yīng)力變形狀態(tài)

(1) 加速度和動(dòng)位移反應(yīng)。由于壩基廊道埋藏于壩體與基礎(chǔ)內(nèi)部，其加速度和動(dòng)位移等動(dòng)力反應(yīng)不大，順河向較其他兩個(gè)方向反應(yīng)較大，圖 6給出了廊道頂部沿壩軸線三個(gè)方向加速度和動(dòng)位移的分布曲線。順河向加速度在河床中部反應(yīng)較大，最大值為6.0 m/s2，橫河向和豎直向加速度沿廊道長(zhǎng)度方向分布比較均勻；廊道順河向動(dòng)位移也是在河床中部明顯較大，極值為2.7 cm，橫河向和豎直向動(dòng)位移沿廊道長(zhǎng)度方向變化不大。

圖6廊道頂部動(dòng)力反應(yīng)

(2) 動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)。圖7給出了廊道橫河向最大動(dòng)應(yīng)力，圖8為動(dòng)靜疊加后廊道橫河向正應(yīng)力分布圖。地震作用下，廊道在兩岸基巖面處有明顯的動(dòng)應(yīng)力集中，橫河向應(yīng)力值較大，在右岸基巖面處廊道上游面底部出現(xiàn)最大動(dòng)拉應(yīng)力值2.14 MPa，右岸基巖面處廊道下游面底部出現(xiàn)最大動(dòng)壓應(yīng)力值為2.23 MPa；兩岸1/4跨位置橫河向動(dòng)應(yīng)力值也較大，動(dòng)應(yīng)力都達(dá)到了1 MPa以上。

由于動(dòng)應(yīng)力數(shù)值比靜應(yīng)力小很多，地震作用下廊道的應(yīng)力分布規(guī)律和靜力條件下基本一致。動(dòng)力條件下最大拉應(yīng)力值為28.6 MPa，出現(xiàn)在右岸基巖面處廊道上游側(cè)底部，比靜應(yīng)力提高了8%；最大壓應(yīng)力值為-39.2 MPa，發(fā)生在右岸基巖面處廊道下游側(cè)底部，比靜應(yīng)力提高了6%。

4.2 典型部位應(yīng)力狀態(tài)

為找出廊道內(nèi)部的動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)規(guī)律，根據(jù)廊道結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，在左岸選取了三個(gè)典型剖面(見(jiàn)圖9(a))進(jìn)行分析，動(dòng)靜疊加后應(yīng)力分布情況如圖9所示。

圖7 橫河向最大動(dòng)拉應(yīng)力(單位：kPa)

圖8橫河向正應(yīng)力(單位：MPa)

地震作用下河床中央剖面，在橫河向，廊道的外側(cè)比內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力大，動(dòng)靜疊加后，拉應(yīng)力極值為7.9 MPa，出現(xiàn)在下游面邊墻外側(cè)底部，比靜力提高了14.4%，壓應(yīng)力極值為-22.1 MPa，出現(xiàn)在上游外側(cè)邊墻頂部，比靜應(yīng)力增大了4.2%，廊道右下側(cè)為受拉區(qū)，左上游側(cè)為受壓區(qū)。廊道上游邊墻底部及底板存在順河向方向的拉應(yīng)力，底板中央有最大拉應(yīng)力5.1 MPa，比靜應(yīng)力增大了13.3%。廊道豎直向沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，在下游內(nèi)側(cè)邊墻中部有最大壓應(yīng)力-15.8 MPa，比靜應(yīng)力增大了8.2%。

注：(1) 為橫河向的動(dòng)拉應(yīng)力包絡(luò)圖；(2) 為橫河向的動(dòng)壓應(yīng)力包絡(luò)圖；(3) 動(dòng)靜疊加后橫河向最大正應(yīng)力包絡(luò)圖；(4) 為動(dòng)靜疊加后橫河向最小正應(yīng)力包絡(luò)圖；(5) 為動(dòng)靜疊加后順河向最大正應(yīng)力包絡(luò)圖；(6) 動(dòng)靜疊加后豎直向最小正應(yīng)力包絡(luò)圖

圖9廊道內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)分布(單位：MPa)

左岸1/4跨剖面應(yīng)力分布規(guī)律與河床中央剖面類似，橫河向在下游外側(cè)邊墻底部有最大拉應(yīng)力18.3 MPa，比靜應(yīng)力增大了6.4%，上游外側(cè)邊墻頂部有最大壓應(yīng)力-32.8 MPa，比靜應(yīng)力增大了4.4%，廊道在該位置最大動(dòng)應(yīng)力及動(dòng)靜疊加后應(yīng)力均大于河床中央位置。

左岸基巖面處，在橫河向，廊道拉壓應(yīng)力均較大，豎直向與順河向，廊道壓應(yīng)力較大。

5 壩基廊道抗震安全分析

5.1 易開(kāi)裂區(qū)

易開(kāi)裂區(qū)為計(jì)算拉應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度的區(qū)域，表明易開(kāi)裂區(qū)如圖10所示，內(nèi)部易開(kāi)裂區(qū)如圖11所示。由于動(dòng)力條件下廊道應(yīng)力值較靜力條件下增大在15%以內(nèi)，而混凝土動(dòng)強(qiáng)度比靜強(qiáng)度有所提高，所以地震工況下廊道易開(kāi)裂區(qū)沒(méi)有顯著增大。在進(jìn)行廊道材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只要滿足其靜力工況下的材料強(qiáng)度要求，就能保證滿足設(shè)計(jì)地震工況下材料強(qiáng)度要求。

圖10 橫河向應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度的區(qū)域(虛線為靜力工況)

圖11廊道內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度的區(qū)域(虛線為靜力工況)

5.2 與岸坡平硐接縫變形

瀑布溝和蹺磧等已建工程，均在基覆分界位置設(shè)置了岸坡平硐與廊道的接縫，由于岸坡平硐自身變形很小，而廊道約束較弱，因此接縫處發(fā)生了較大的變形(見(jiàn)表2)。長(zhǎng)河壩工程創(chuàng)造性地將廊道深入兩岸基巖1 m，廊道與岸坡平硐的接縫變形相對(duì)已建類似工程得到有效減小，利于接縫止水的設(shè)計(jì)。動(dòng)力條件下，左岸接縫最大張開(kāi)比靜力提高了11.4%，為4.0 cm。

表2 廊道與岸坡平硐接縫變形單位：cm

5.3 廊道周邊高塑性黏土永久變形

結(jié)合部位高塑性黏土的永久變形示意圖見(jiàn)圖12，其豎直向和順河向的永久變形如圖13所示。由于材料變形參數(shù)較低，地震后高塑性黏土主要表現(xiàn)為向中部的壓縮變形以及向下游的變形，高塑性黏土與廊道上游面處于壓緊的狀態(tài)，與下游面有脫開(kāi)變形趨勢(shì)；與副防滲墻下游面處于壓緊的狀態(tài)，與上游面有脫開(kāi)變形趨勢(shì)。在廊道頂部靠心墻部位，高塑性黏土最大沉降變形26 cm，向上變形最大為6 cm，順河向最大變形為15 cm左右。

圖12 高塑性黏土區(qū)放大10倍的永久變形圖

圖13高塑性黏土區(qū)永久變形(單位：cm)

6 結(jié) 論

(1) 壩基廊道埋藏于壩體與基礎(chǔ)內(nèi)部，地震作用下動(dòng)力反應(yīng)較小，應(yīng)力分布規(guī)律和靜力工況下基本一致。高土石壩由于承受水頭高，壩體變形大，廊道應(yīng)力狀況更為復(fù)雜。

(2) 長(zhǎng)河壩工程動(dòng)靜疊加后廊道橫河向最大拉應(yīng)力為28.6 MPa，較靜力條件下提高了8%，在廊道上游面兩端，下游面河床中部有橫河向較大易開(kāi)裂區(qū)域。創(chuàng)造性地將廊道深入兩岸基巖1 m，廊道與岸坡平硐的接縫變形相對(duì)已建類似工程得到有效減小，左岸接縫最大張開(kāi)4.0 cm，較靜力工況增大11.4%。地震后，高塑性黏土最大沉降變形值為26 cm。

(3) 地震條件下廊道的應(yīng)力狀況仍由靜力工況控制，可借鑒深厚覆蓋層地基上的馬尼克3號(hào)壩經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置向上游拱起的廊道的軸線型式，使上游面預(yù)拉，下游面預(yù)壓，從而降低橫河向拉應(yīng)力；由于兩岸基巖面處約束較強(qiáng)，可將該部位廊道用鋼板進(jìn)行包裹。廊道與岸坡平硐接縫，建議采用伸縮節(jié)為雙“U”形結(jié)構(gòu)的止水并預(yù)留二期混凝土。

(4) 本文計(jì)算中將混凝土視為線彈性進(jìn)行分析，計(jì)算所得基巖面處廊道上游側(cè)底部的最大拉應(yīng)力為28.6 MPa，有相當(dāng)區(qū)域已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此下一步擬采用非線性模型模擬混凝土開(kāi)裂破壞行為，以更加真實(shí)地反映深厚覆蓋層高土石壩壩基廊道的實(shí)際工作性態(tài)。