巨厚覆蓋層上高閘壩沉降控制 關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐

任 葦，王君利，李國英

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安市 710003；2.南京水利科學(xué)研究院，南京市 210003)

0 引言

河床巨厚覆蓋層是指堆積于河谷之中，厚度大于40m的第四紀(jì)松散堆積物［1］，資料顯示(見表1)，西藏多布水電站建成以前，軟基上中國最高的擋水建筑物為大渡河一級支流瓦斯河上的小天都水電站，該電站裝機(jī)容量為240MW，泄洪排沙閘高39m［2］。基礎(chǔ)覆蓋層深度最大的是江邊水電站，為109m，裝機(jī)容量為330MW，閘壩最大高度32m［3］。國外覆蓋層基礎(chǔ)上修建重力式混凝土閘壩資料較少，原蘇聯(lián)的古比雪夫水電站位總裝機(jī)容量為2300MW，最大壩高為45m，基礎(chǔ)為48m厚黏土層［4］，工程效果良好。

表1 國內(nèi)外部分深厚覆蓋層上水電建筑物統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of hydropower structures built on giant-thick overburden both at home and aboard

在中國西南地區(qū)，特別是西藏地區(qū)河床覆蓋層分布尤為廣泛，一般厚度均在100m以上，局部地區(qū)厚度可達(dá)300～600m不等，該區(qū)域覆蓋層分布規(guī)律性差，結(jié)構(gòu)和級配變化大［5］，這些覆蓋層上重力閘壩的沉降控制問題突出，本文依托西藏多布水電站(建成照片見圖1)，河床擋水廠房壩段高54.3m，基礎(chǔ)覆蓋層厚度達(dá)360m，水庫正常蓄水位3076.00m，相應(yīng)庫容6500萬m3。電站總裝機(jī)容量120MW，樞紐工程主要由河床土工膜砂礫石壩、8孔泄洪閘、2孔生態(tài)放水孔、發(fā)電廠房、左副壩及魚道等建筑物組成［13］。

圖1 多布水電站工程下游建成照片F(xiàn)igure 1 Photo taken at D/S of the Duobu HPP Built

1 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］第8.3.6條的規(guī)定，土質(zhì)地基允許最大沉降量和最大沉降差，應(yīng)以保證水閘安全和正常使用為原則。天然土質(zhì)地基上水閘地基最大沉降量不宜超過15cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5cm，對廠房壩段，根據(jù)SL 266—2014《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］，非巖基上廠房地基允許最大沉降量和沉降差，應(yīng)以保證廠房結(jié)構(gòu)安全和機(jī)組正常運(yùn)行為原則。按機(jī)組運(yùn)行安裝對土建結(jié)構(gòu)的傾斜率要求，確定廠房上下游控制沉降差不大于4cm，同時(shí)參照GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［16］第5.3.4條的規(guī)定復(fù)核綜合考慮，確定下游沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不大于4cm標(biāo)準(zhǔn)是合理的。

2 沉降控制技術(shù)

2.1 不同水工建筑物差異化地基處理技術(shù)

該工程建筑物中，廠房壩段為最高混凝土建筑物，基底最大壓應(yīng)力0.56MPa，而相鄰的泄洪閘高度僅為26.5m，基底最大壓應(yīng)力0.403MPa，相鄰建筑物基底應(yīng)力相差30%，均需要針對不同上部結(jié)構(gòu)及地基條件進(jìn)行差異化處理。

1～6號泄洪閘基礎(chǔ)處理參考石佛寺、福堂、陰坪、金康等類似工程經(jīng)驗(yàn)，采用振沖碎石樁方案進(jìn)行基礎(chǔ)處理。采用ZCQ-132kW振沖器，實(shí)際樁徑為1.5m，等邊三角形布置，間距2.5m，面積置換率為0.16，單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)的承載力特征值為942kPa，檢測的3根淺層平板靜載荷試驗(yàn)的地基承載力特征值為380kPa。試驗(yàn)結(jié)果表明單樁承載力、地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。7～8號泄洪閘及生態(tài)放水孔處于強(qiáng)弱地基處理的過渡段，回填后基礎(chǔ)進(jìn)行旋噴樁處理。

廠房壩段最大高度54.3m，2個(gè)機(jī)組為一個(gè)壩段，廠房壩段沿順?biāo)鞣较蚩梢暈槿糠郑哼M(jìn)水口段、機(jī)組段、尾水管段。廠房地基為砂礫石層。廠房屬于擋水建筑物，垂直、水平承載力大，同時(shí)受機(jī)組振動影響較大 ，為此，該工程引入建筑行業(yè)長短樁設(shè)計(jì)理念，原灌注樁作為長樁，樁長25m；灌注樁間增設(shè)旋噴樁作為短樁，旋噴樁設(shè)計(jì)樁長10m，間排距2.2m，經(jīng)復(fù)核滿足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場灌注樁靜載試驗(yàn)顯示，單樁承載力達(dá)到1200t，大于設(shè)計(jì)要求的900t。

2.2 混凝土分區(qū)限高差澆筑沉降控制技術(shù)

不考慮施工順序時(shí)，根據(jù)沉降計(jì)算分析最大沉降量約8.2cm，總沉降量均滿足規(guī)范允許15cm的控制標(biāo)準(zhǔn)，但相鄰建筑物最大沉降差為3.9cm，雖然滿足5cm的沉降差限值，但仍然偏大，易造成止水變形破壞，本文提出了一種混凝土分區(qū)限高差澆筑變形控制技術(shù)，確保各建筑物沉降差均能滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合實(shí)際施工條件，提出施工工序?yàn)椋簭S房壩段首先施工至3062.00m，然后施工上下游擋墻及墻后填土，最后依次施工泄洪閘、左副壩、廠房上部，同時(shí)確保各建筑物澆筑頂部高差不超過6m。

2.3 超深厚軟基適應(yīng)變形止水組合關(guān)鍵技術(shù)

為解決該工程軟基變形帶來的防滲墻間止水可靠連接關(guān)鍵技術(shù)難題，創(chuàng)新組合了一套理論——“廣義塑性計(jì)算理論”、一套標(biāo)準(zhǔn)——“水工建筑物止水分區(qū)檢查處理標(biāo)準(zhǔn)”、四項(xiàng)發(fā)明——“一種防滲墻頂部凹槽止水結(jié)構(gòu)”［17］、“連接板與防滲墻縫間連接的SR止水結(jié)構(gòu)及其止水方法”［18］、“一種水電站廠房連接板基礎(chǔ)群孔回填灌漿工藝”［19］、“一種混凝土防滲墻”［20］等組合關(guān)鍵技術(shù)。

3 考慮應(yīng)力路徑的廣義塑性本構(gòu)模型三維有限元應(yīng)力應(yīng)變分析

3.1 考慮應(yīng)力路徑的廣義塑性本構(gòu)模型理論

多布水電站左岸混凝土閘壩建基于開挖后的覆蓋層上，基礎(chǔ)地面以上開挖的土層厚度達(dá)61m，其土體應(yīng)力大于建筑物加載引起的附加應(yīng)力，本次分析采用廣義塑性理論，該模型的優(yōu)勢在于能夠反映覆蓋層土體的強(qiáng)度非線性、剪脹非線性特征，能夠適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)力加載路徑，并能夠考慮土體的加載歷史，客觀反映土體的超固結(jié)特性。該模型建立的過程如下：

在彈塑性模型中，總應(yīng)變增量可以分解為彈性應(yīng)變增量和塑性應(yīng)變增量如式(1)：

式中 ?εij——總應(yīng)變增量；

?εeij——彈性應(yīng)變增量；

?εpij——塑性應(yīng)變增量。

粗粒土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為：

式中?σ——應(yīng)力增量；

Dep——彈塑性矩陣。

廣義塑性模型的彈塑性矩陣可以表示為：

式中De——彈性矩陣；

Dp——塑性矩陣；

ngL/U——加載或卸載時(shí)的塑性流動方向；

n——加載方向；

HL/U——加載或卸載時(shí)的塑性模量。

（1）塑性流動方向。

廣義塑性模型中加載時(shí)的塑性流動方向?yàn)?：

為了模擬所謂的粗粒土“卸載體縮”現(xiàn)象，將土體處于卸載時(shí)的塑性流動方向定義為：

陳生水等人建議，對于土石材料，為了能夠反映剪脹性隨壓力的非線性減小規(guī)律， 推薦采用下式：

式中Md——材料由剪縮向剪脹過渡的相變應(yīng)力比，α一般取0.5。

式中ψ——考慮了顆粒破碎的剪脹特征摩擦角；ψ0和 ?ψ——反映剪脹特征摩擦角變化的參數(shù)。

（2）加載方向定義。

加載方向可以定義為式(9)：

其中，df可以定義為：

根據(jù)鄧肯等人提出堆石料強(qiáng)度非線性公式：

式中?——內(nèi)摩擦角；

?0和??——反映剪脹特征摩擦角變化的參數(shù)。

（3）塑性模量的定義。

對于無黏性顆粒材料，其等向壓縮規(guī)律可以由式(13)表示：

式中λ——壓縮參數(shù)；

κ——回彈參數(shù)；

m——一個(gè)材料參數(shù)；

pa——大氣壓力；

p0——參考壓力。

土石材料廣義塑性模型中，彈性模量建議為式（14）：

其中：泊松比υ一般認(rèn)為是常數(shù)0.3。

塑性模量的定義是根據(jù)等向壓縮試驗(yàn)的模量再加入考慮了剪切破壞的項(xiàng)得到的，根據(jù)Nakai的建議，砂土或者是粗粒土的等向壓縮規(guī)律可以由式(13)描述。

等向壓縮過程中的塑性模量可以由上式取微分形式得到，即對式(13)微分得到下式：

考慮到土顆粒的剪脹性和剪切效應(yīng)后，可以將式(15)改進(jìn)為一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的塑性模量表達(dá)式，表達(dá)為下式：

式(16)是在對多組粗粒土預(yù)測計(jì)算中逐步改進(jìn)得到的，通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明上式對粗粒土各應(yīng)力路徑（如常規(guī)三軸、等P應(yīng)力路徑、等應(yīng)力比路徑）均能較好描述。

廣義塑性模型的建立除了反映單調(diào)加載下材料的力學(xué)性質(zhì)外，還具有反映材料復(fù)雜加載、卸載下力學(xué)行為的能力，可反映土體的加載歷史（如超固結(jié)、循環(huán)加卸載等應(yīng)力路徑），但是需要對不同的加載狀態(tài)采用不同的塑性模量形式。通常，卸載模量和再加載模量是連加載模量的基礎(chǔ)上改造得到的。一般地，土體卸載后的再加載模量可以定義為式（17）：

其中：

式（17）對式（16）的改造是基于兩方面的考慮。新加第一項(xiàng)HDM是為了反映卸載—再加載時(shí)塑性模量增大的現(xiàn)象即土體變硬，它就相當(dāng)于在邊界面模型中的映射現(xiàn)象。新加的第二項(xiàng)Hden是為了反映不斷地循環(huán)加載時(shí)塑性模量隨著塑性應(yīng)變累積逐步增大，塑性應(yīng)變逐步累積并達(dá)到穩(wěn)定的“棘輪效應(yīng)”，這一項(xiàng)在邊界面模型中對應(yīng)于正常固結(jié)屈服面在循環(huán)過程中的逐步擴(kuò)張，這里沿用土力學(xué)中概念定義覆蓋層超固結(jié)參數(shù)OCR=σz,max/σz，其中σz,max為歷史最大豎向應(yīng)力，σz為當(dāng)前豎向應(yīng)力。

同時(shí)，應(yīng)該定義一個(gè)土體卸載時(shí)的塑性模量以反映土體在卸載時(shí)產(chǎn)生的變形，卸載模量可以定義為：

以上各式中，γDM、γd、ηu為三個(gè)反映循環(huán)加載的參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)的確定需要根據(jù)加卸載試驗(yàn)得到。

通過以上的定義不難看出廣義塑性模型的優(yōu)勢，其不但能夠反映土體單調(diào)加載時(shí)的應(yīng)力路徑，而且能夠在一定程度上反映土體的加載歷史。由式（17）可以看出，當(dāng)歷史最大應(yīng)力為當(dāng)前應(yīng)力時(shí)再加載，模量與初始加載模量相同，但是當(dāng)歷史最大應(yīng)力大于當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)時(shí)再加載模量則大于初始加載模量，能夠反映出超固結(jié)土模量增高的特點(diǎn)。同時(shí)也可以直接初始狀態(tài)中定義超固結(jié)度指標(biāo)考慮覆蓋層地基開挖形成的類超固結(jié)特性。

3.2 考慮應(yīng)力路徑的廣義塑性本構(gòu)模型理論

三維計(jì)算成果表明，竣工期和蓄水期混建筑物最大沉降量為74mm，相鄰建筑物沉降差最大值為16mm。另外，現(xiàn)場監(jiān)測成果表明，多布水電站采用的施工次序能夠有效控制建筑物之間的沉降差，基礎(chǔ)處理后，樞紐建筑物實(shí)測最大沉降量為69mm，發(fā)生在安裝間壩段，廠房最大沉降量為66mm，相鄰建筑物沉降差最大值為26mm，廠房上下游沉降差最大值1.3cm，均在設(shè)計(jì)預(yù)期范圍內(nèi)，即混凝土建筑物單體沉降不超過150mm，相鄰壩段沉降差不超過50mm，廠房上下游沉降差不超過40mm的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。各建筑物沉降差滿足中國《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265—2001）要求。根據(jù)多布水電站施工及運(yùn)行一年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證研究，對比結(jié)果表明，監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算成果基本一致。

4 結(jié)論

本文依托復(fù)雜巨厚覆蓋層上最高閘壩多布水電站工程，針對復(fù)雜巨厚覆蓋層高閘壩的沉降控制關(guān)鍵問題進(jìn)行深入論述，提出了能夠保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和結(jié)構(gòu)安全的不均勻沉降和沉降標(biāo)準(zhǔn)，主要關(guān)鍵技術(shù)包括不同水工建筑物差異化地基處理技術(shù)措施和范圍、混凝土分區(qū)限高差澆筑沉降控制技術(shù)和隨層澆筑連續(xù)不間斷變形監(jiān)測等系列關(guān)鍵技術(shù)。另外，文章創(chuàng)新性提出了考慮應(yīng)力路徑的廣義塑性本構(gòu)模型，該模型能夠反映覆蓋層土體的強(qiáng)度非線性、剪脹非線性特征，適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)力加載路徑，客觀反映土體的超固結(jié)特性，根據(jù)多布水電站施工及安全運(yùn)行一年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果對比表明，監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算成果基本一致，表明研究所采用的本構(gòu)模型和計(jì)算方法是有效和合理的，采取的工程措施和處理范圍是合適的，為同類工程提供了有效的分析思路。