深厚覆蓋層灌漿帷幕體與壩基變形協(xié)調(diào)數(shù)值計(jì)算分析研究

肖德序

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 研究背景

在深厚覆蓋層上建土石壩，基礎(chǔ)防滲形式多以封閉式帷幕為主，當(dāng)覆蓋層很深時(shí)，受施工機(jī)械設(shè)備和施工工藝的控制，采用基礎(chǔ)灌漿成帷幕體，是比較現(xiàn)實(shí)的處理方式。開展對(duì)深厚覆蓋層灌漿幕體的應(yīng)力和變形狀況研究，幕體與覆蓋層、廊道以及壩體防滲結(jié)構(gòu)之間的變形和應(yīng)力不連續(xù)變化情況研究工作，了解帷幕結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，是本文研究的主要目的。

2 研究路線和方法

深厚覆蓋層與一般淺覆蓋層的主要區(qū)別在于其形成條件復(fù)雜，體現(xiàn)為多層性，西部地區(qū)河床深覆蓋層多表現(xiàn)為：（由下而上） 冰積層——淤泥或粉土層——崩積及沖積混雜堆積層——粉土層——卵石礫石層——現(xiàn)代沖積砂卵礫石層組成，或由崩積架空的塊石層與沖積砂卵石層交互組成，且孔隙率和透水率較淺埋覆蓋層小。

在實(shí)際工程建設(shè)中，表層的架空塊石層多不作為建壩基礎(chǔ)，而是選擇穩(wěn)定性、強(qiáng)度、密實(shí)度相對(duì)較好的沖積砂卵石層作為建壩基礎(chǔ)，對(duì)于可能發(fā)生液化或其它嚴(yán)重穩(wěn)定和變形問(wèn)題的地基也要進(jìn)行嚴(yán)格的處理才能作為建壩基礎(chǔ)，因此在分析中對(duì)覆蓋層分層進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，選擇典型分層。采用數(shù)值分析的方法對(duì)帷幕體、地基應(yīng)力和變形狀況進(jìn)行分析。

3 深厚覆蓋層灌漿帷幕體與壩基變形協(xié)調(diào)數(shù)值分析計(jì)算

3.1 計(jì)算軟件

采用MIDAS/GTS 軟件通過(guò)MIDAS GTS 有限元程序進(jìn)行分析，按E－V非線性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況分析。

3.2 計(jì)算模型

本文主要分析帷幕體自身剛度、厚度、深度及其滲透性對(duì)其協(xié)調(diào)性的影響。有限元壩體模型見圖1～3：壩基模型大小根據(jù)試算進(jìn)行確定，以邊界條件對(duì)關(guān)注部分區(qū)域不產(chǎn)生質(zhì)的影響為控制標(biāo)準(zhǔn)。最終確定壩基模型上游邊界距壩蹤500 m，下游邊界距壩趾500 m，底部邊界距壩基420 m。模型共劃分單元32341 個(gè)，節(jié)點(diǎn)32552 個(gè)。

圖1 100 m 壩體典型斷面

圖2 100 m 有限元壩體模型

圖3 100 m 有限元整體計(jì)算模型

3.3 壓應(yīng)力分析

計(jì)算成果顯示：幕體彈性模量由200 MPa 增加至2000 MPa的過(guò)程中，整體壓應(yīng)力變化不大。但在局部的應(yīng)力分布中，彈性模量2000 MPa 工況中的應(yīng)力集中度較200 MPa 的要強(qiáng)，大應(yīng)力范圍適當(dāng)要大，應(yīng)力量級(jí)沒有大的變化，應(yīng)力集中程度相應(yīng)增加，詳見圖4～5。

從計(jì)算成果表及其變化趨勢(shì)圖可以知道，100 m 級(jí)壩中隨著幕體彈性模量的增加幕體等壓應(yīng)力量級(jí)分布面積隨其變化的敏感性減弱，并逐漸趨于穩(wěn)定。其中，當(dāng)幕體強(qiáng)度小于0.8 GPa 時(shí)，幕體等壓應(yīng)力量級(jí)的分布面積相對(duì)較為敏感，具體詳見圖6。

圖4 壓應(yīng)力分布圖（100 m 200 MPa）

圖5 壓應(yīng)力分布圖（100 m 2000 MPa）

圖6 100 m 幕體壓應(yīng)力面積隨幕體強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

3.4 剪應(yīng)力分析

在100 m 級(jí)壩模型計(jì)算中，其剪應(yīng)力大于0.3 MPa 的集中區(qū)域在壩基的上下游，而不是集中在幕體上，若存在剪切破壞首先發(fā)生在幕體以外的其它部位，但不存在剪應(yīng)力超過(guò)0.4 MPa的區(qū)域，如圖7。

圖7 100 m 級(jí)壩基剪應(yīng)力分布圖

4 強(qiáng)度變形協(xié)調(diào)分析

4.1 沉降梯度范圍分析

在100 m 級(jí)壩的計(jì)算成果中，位移梯度較大的范圍在幕體分界面附近3.0 m 范圍內(nèi)，即幕體分界面內(nèi)1.0 m、分界面外2.0 m 范圍內(nèi)的位移梯度比較大。其中，位移梯度超過(guò)0.5 mm/2 cm 的寬度約0.5 m，其余較大位移梯度范圍的位移梯度均小于0.5 mm/2 cm，最大位移梯度超過(guò)1 mm/2 cm，接近1.5 mm/2 cm。突變點(diǎn)位置、梯度較大區(qū)域不隨幕體強(qiáng)度的變化而變化，梯度變化弧度存在一定的變化，但變化幅度不大，基本可以忽略，詳見圖8。

圖8 位移梯度隨幕體強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

4.2 沉降梯度最大值分析

在100 m 級(jí)壩的計(jì)算分析中，最大位移梯度隨幕體強(qiáng)度的增大而增加，但增加的幅度不大，基本可以忽略，詳見圖9。

圖9 最大位移梯度隨幕體強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

4.3 沉降梯度突變點(diǎn)分析

在100 m 級(jí)壩中，梯度變化突變點(diǎn)在幕體分界面上，其梯度較大值分布在分界面附近3.0 m 范圍，幕體內(nèi)部1.0 m，覆蓋層內(nèi)2.0 m。詳見圖10。從圖可以得出如下結(jié)論：

1）較大位移梯度范圍隨幕體強(qiáng)度、厚度、深度的變化存在-1.0～2.7 mm/2 cm 的變化，相對(duì)位移值，其變化的弧度不大；隨高程的變化，較大位移梯度范圍由±2.7 mm/2 cm 逐漸變小至±0.4 mm/2 cm，在接近幕體腳部時(shí)逐漸增大至±1.2 mm/2 cm。

2）最大位移梯度隨幕體強(qiáng)度的增大而增加，但增加的幅度不大，基本可以忽略。在100 m 級(jí)壩的計(jì)算分析中，最大位移梯度隨幕體強(qiáng)度的增大而增加，但增加的幅度有限。

3）較大位移梯度突變點(diǎn)隨幕體強(qiáng)度、厚度、深度、高程的變化基本不發(fā)生變化。

4）梯度的大小隨幕體強(qiáng)度、厚度、深度、高程等參數(shù)均存在一定的波動(dòng)，但波動(dòng)的弧度不大，基本可以忽略。

圖10 位移梯度隨幕體強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

5 結(jié)論

1）幕體壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、最大位移、豎直位移梯度對(duì)幕體的強(qiáng)度、厚度、深度三因素敏感性不強(qiáng)，在計(jì)算工況范圍內(nèi)的變化幅度小于總數(shù)的5%。

2）幕體壓應(yīng)力、剪應(yīng)力的量級(jí)主要取決于壩基以上載荷的大小，對(duì)其自身參數(shù)的敏感性相對(duì)要低。

3）幕體剪應(yīng)力除局部應(yīng)力集中點(diǎn)較大外，其余部位剪應(yīng)力量級(jí)及其規(guī)模遠(yuǎn)小于壩基覆蓋層幕體以外的剪應(yīng)力及其規(guī)模。

4）位移梯度隨高程的變化，較大位移梯度范圍先逐漸變小，在接近幕體腳部時(shí)逐漸增大。

5）較大位移梯度突變點(diǎn)隨幕體強(qiáng)度、厚度、深度、高程的變化基本不發(fā)生變化。100 m 級(jí)壩的位移梯度突變點(diǎn)在幕體分界面上。

6）較大位移梯度區(qū)域隨著壩基上部荷載的增大而增加，在100 m 級(jí)壩中，位移梯度超過(guò)1 mm/2 cm 的區(qū)域較小，不超過(guò)0.5 m。