特高堆石壩心墻監(jiān)測廊道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)初步研究

韓朝軍，程瑞林，湛正剛，慕洪友，張丙印，于玉貞

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

心墻變形監(jiān)測是高心墻堆石壩的一項(xiàng)重要監(jiān)測內(nèi)容，對(duì)實(shí)時(shí)掌握大壩施工及運(yùn)行性狀具有關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的心墻變形監(jiān)測技術(shù)措施，通常是在心墻內(nèi)埋設(shè)水管式沉降儀、電磁式沉降儀、引張線水平位移計(jì)、測斜管等監(jiān)測儀器，這些方法對(duì)中低壩的適應(yīng)性好，但對(duì)于300 m級(jí)特高壩，管線長度、測量深度、測量精度、儀器損壞率等均超過了最佳使用條件，監(jiān)測技術(shù)的可靠性亟待改進(jìn)[1-2]。

研究表明，在壩體心墻內(nèi)分層布置縱向混凝土監(jiān)測廊道，為上述問題的解決提供了一種新途徑。該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是：①監(jiān)測廊道內(nèi)分層分段布置監(jiān)測儀器，可縮短管線牽引長度，降低儀器損壞率、提高測讀精度；②運(yùn)行期方便壩內(nèi)巡視檢查，及時(shí)維修損壞儀器；③廊道自身可承擔(dān)一定的監(jiān)測任務(wù)，與傳統(tǒng)儀器相互校驗(yàn)，提高監(jiān)測結(jié)果的可靠性；④可兼作觀測房使用，提前形成測站，便于自動(dòng)化監(jiān)測早日實(shí)現(xiàn)；⑤通過放空設(shè)施降低庫水位，為心墻檢修創(chuàng)造條件。

表1 國外特高堆石壩壩內(nèi)監(jiān)測廊道布置情況[7-9]

注：羅貢壩在建。

為此，本文以國內(nèi)某特高心墻堆石壩為例，探討在心墻內(nèi)布置監(jiān)測廊道的可行性，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問題及對(duì)策措施進(jìn)行了初步研究，以期推動(dòng)該技術(shù)進(jìn)步，為同類工程提供借鑒。

1 堆石壩監(jiān)測廊道工程應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)研[3-6]，堆石壩壩內(nèi)廊道多見于深厚覆蓋層上的工程，如國內(nèi)長河壩、瀑布溝、黃金坪、磽磧水電站等，其主要用途是作為心墻底部的灌漿廊道；用作監(jiān)測目的主要有國外的努列克壩、羅貢壩及特里壩等，如表1所示。

從理論上講，深厚覆蓋層上壩內(nèi)灌漿廊道底部有混凝土防滲墻頂托，這將大大降低廊道與覆蓋層的變形協(xié)調(diào)控制難度，但從磽磧、瀑布溝、黃金坪等工程的運(yùn)行情況來看，蓄水后均發(fā)生了廊道結(jié)構(gòu)縫漏水問題[6，11]。另外，近十多年來我國開展的300 m級(jí)高面板堆石壩適應(yīng)性及關(guān)鍵技術(shù)研究，也提出了土石壩監(jiān)測廊道的思想[10]，但至今仍無已建工程。國外雖有300 m級(jí)特高壩心墻監(jiān)測廊道經(jīng)驗(yàn)，但3座壩各有特點(diǎn)：羅貢壩至今未建成；努列克壩施工期達(dá)20年，廊道適應(yīng)壩體變形的時(shí)間充足，是當(dāng)代工程無法與之相提并論的；印度特里壩廊道運(yùn)行情況鮮有報(bào)道?？偟膩碚f，在堆石壩內(nèi)設(shè)置監(jiān)測廊道，國內(nèi)外可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多，工程設(shè)計(jì)難度大。

2 主要技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策措施

2.1 特高堆石壩心墻監(jiān)測廊道設(shè)計(jì)

為解決高堆石壩變形監(jiān)測的適應(yīng)性問題，國內(nèi)某特高心墻堆石壩擬在心墻內(nèi)設(shè)置縱向監(jiān)測廊道。廊道沿心墻壩軸中心線布置為兩層，其中，河床中心部位的上下層廊道底板高程為2 812、2 722 m，大致位于2/3壩高和1/3壩高處，廊道斷面形式為城門洞型，預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斷面尺寸為3.0 m×3.5 m(寬×高)，廊道壁厚0.5 m，見圖1。

圖1 心墻監(jiān)測廊道布置(高程：m)

2.2 存在的問題分析

工程經(jīng)驗(yàn)表明，心墻監(jiān)測廊道為典型的三向受力結(jié)構(gòu)，在承受土壓力、水壓力等外荷載作用下，將產(chǎn)生由兩岸指向河谷的壩軸向變形、垂直向下和指向下游的撓曲變形。根據(jù)三維有限元計(jì)算結(jié)果，壩體中部最大沉降約3～5 m，心墻與岸坡之間最大剪切變形接近1 m；廊道外壁承受1～3 MPa的土應(yīng)力和0.5～2.5 MPa的心墻滲透孔隙水壓力。因此，廊道設(shè)計(jì)需解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：

(1)剛性廊道既要適應(yīng)柔性心墻三向大變形、岸坡剪切變形的要求，又不對(duì)周圍防滲土體造成接觸滲透破壞，這就要求廊道在空間上布置得科學(xué)合理。

(2)變形結(jié)構(gòu)縫的設(shè)置是保證廊道自身結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。

(3)高水頭作用對(duì)廊道接縫止水系統(tǒng)提出了較高要求。一是適應(yīng)三向大變形條件，止水結(jié)構(gòu)不被剪切破壞；二是接縫止水材料具有良好的耐久性及可靠性。

2.3 采取的主要關(guān)鍵技術(shù)措施

為了解決上述問題，本研究從以下幾個(gè)方面予以考慮。

(1)為了適應(yīng)心墻的三向變形，兩層廊道均采取沿豎直方向向上、順河流方向向上游起拱。在豎直方向，上層廊道向上拱起最大高度為6 m，河床中心廊道底板高程為2 812 m，與兩岸灌漿隧洞連接的底板高程為2 806 m，自河床中心向兩岸的平均縱坡為2.8%～3%；下層廊道向上拱起最大高度為6 m，河床中心廊道底板高程為2 722 m，與兩岸灌漿隧洞連接的底板高程為2716 m，自河床中心向兩岸的平均縱坡為4.5%～4.6%。在順?biāo)鞣较颍蠈永鹊拦跋蛏嫌? m，自河床中心向兩岸的平均縱坡為0.94%～1%；下層廊道拱向上游2 m，自河床中心向兩岸的平均縱坡為1.6%。上層廊道在距兩岸70 m范圍內(nèi)，按每隔3 m設(shè)置一道變形結(jié)構(gòu)縫，其余部位按每隔5 m設(shè)置一道變形結(jié)構(gòu)縫；下層廊道在距兩岸50 m范圍內(nèi)，按每隔3 m設(shè)置一道變形結(jié)構(gòu)縫，其余部位按每隔5 m設(shè)置一道變形結(jié)構(gòu)縫；初擬縫寬20 mm，縫內(nèi)填充低發(fā)泡聚乙烯塑料閉孔板(壓縮率達(dá)50%)。

(2)考慮到廊道在發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，廊道外壁防滲土料細(xì)粒含量被帶走，誘發(fā)接觸滲透破壞，廊道外壁包裹1～2層反濾土工布，土工布與防滲土料之間設(shè)置1 m厚的高塑性接觸黏土。

(3)監(jiān)測廊道接縫止水系統(tǒng)平剖示意圖見圖2。在保障接縫止水系統(tǒng)的可靠性及耐久性方面，采取的主要措施為：①在廊道分縫一端預(yù)留二期混凝土，施工期廊道可以自由變形，施工工藝上銅片止水在蓄水前焊接，可降低錯(cuò)位變形對(duì)接縫止水剪切破壞的影響；②根據(jù)相關(guān)工程接縫止水材料抗?jié)B、抗剪破壞試驗(yàn)研究，選用耐久性好的“W”型銅片止水，沿廊道四周雙層布置，縫內(nèi)填充柔性止水材料；③銅片止水鼻子預(yù)留較大伸縮度，可適應(yīng)較大的三向變形能力；④根據(jù)三維有限元分析結(jié)果，并參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，合理確定廊道受壓和受拉區(qū)的范圍、廊道分縫位置及縫寬；⑤廊道外壁包裹反濾土工布，與高塑性接觸黏土料形成連續(xù)“堵排結(jié)合”滲控系統(tǒng)，可有效降低工程風(fēng)險(xiǎn)；⑥考慮到廊道與兩岸連接部位剪切變形相對(duì)較大，考慮采用金屬波紋管連接。

圖2 監(jiān)測廊道接縫止水系統(tǒng)平剖示意

3 基于有限元方法的結(jié)構(gòu)安全初步研究

3.1 二維滲流特性分析

采用河海大學(xué)Autobank7.0軟件進(jìn)行了二維穩(wěn)定—非穩(wěn)定滲流分析，研究心墻內(nèi)設(shè)置縱向監(jiān)測廊道對(duì)大壩滲流特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在壩內(nèi)心墻設(shè)置縱向監(jiān)測廊道后，大壩滲流特性并沒有產(chǎn)生顯著變化，滲流場分布仍符合一般規(guī)律；防滲心墻滲透坡降相對(duì)較大的區(qū)域主要有兩個(gè)，一是監(jiān)測廊道頂部接觸黏土區(qū)，二是心墻下游面出逸處，其中，監(jiān)測廊道頂部最大滲透坡降5.43，小于接觸黏土允許坡降6.0，仍滿足滲透穩(wěn)定要求。由此可見，在監(jiān)測廊道周邊合理設(shè)置一定厚度的接觸黏土區(qū)，可有效提高混凝土與防滲心墻之間的防滲抗?jié)B性，防止接觸滲透破壞的發(fā)生。

3.2 三維應(yīng)力變形特性分析

心墻監(jiān)測廊道與周圍土體是典型的非連續(xù)接觸問題，由于兩種材料性質(zhì)相差較大，在界面兩側(cè)常會(huì)出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力并發(fā)生位移不連續(xù)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致十分復(fù)雜的應(yīng)力和變形性態(tài)[12]。為了分析廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及安全性，采用非連續(xù)接觸算法[13]和三維精細(xì)化模擬方法，研究廊道與心墻土體相互作用下的三維應(yīng)力變形特性。

3.2.1計(jì)算模型

建立大壩及廊道精細(xì)化三維有限元模型如圖3所示，共計(jì)結(jié)點(diǎn)178 791個(gè)、單元155 635個(gè)。

圖3 大壩及廊道三維有限元精細(xì)化模型

3.2.2計(jì)算參數(shù)

土石壩料本構(gòu)模型采用鄧肯張E-B模型，計(jì)算參數(shù)見表2。在混凝土廊道塊體之間設(shè)置了軟接縫，采用雙線性軟接縫擠壓模型進(jìn)行模擬[13]，參數(shù)取值為：填縫初始厚度L0=2 cm，初始擠壓模量En0=30 MPa，線性擠壓應(yīng)變?chǔ)舕=0.31，后期擠壓模量取與混凝土相同，En混=3×104MPa。廊道塊體之間以及廊道與反濾料的接觸界面摩擦系數(shù)μ均取0.7。

表2 筑壩料鄧肯E-B模型計(jì)算參數(shù)

3.2.3計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1)上、下層廊道的變形規(guī)律基本一致，壩軸向位移均由兩岸向河谷中央擠壓，上層廊道最大壩軸向擠壓位移為0.10 m，發(fā)生的位置大體位于距兩岸65 m處，下層廊道最大壩軸向擠壓位移為0.13 m。廊道順河向水平位移最大值出現(xiàn)在滿蓄期，上層廊道最大值為0.36 m，下層廊道最大值為0.35 m。豎向沉降最大值發(fā)生在竣工期的河谷中央部位，上層廊道最大值約為0.83 m，下層廊道最大值約為1.25 m。

(2)雖然河谷中央部位計(jì)算的沉降值較大，但分布卻相對(duì)均勻，而靠近兩岸部位沉降值雖小，但其不均勻沉降較大。與土體變形相比，廊道的變形相對(duì)較小，且主要發(fā)生在施工期，這點(diǎn)在特里壩也得到證明；設(shè)計(jì)考慮廊道在蓄水前焊接這一施工工藝，將大大降低廊道剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)上、下層廊道的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。廊道豎墻內(nèi)側(cè)表面的大主應(yīng)力值較大，在底角內(nèi)表面部位存在一定的應(yīng)力集中，上層廊道應(yīng)力最大值達(dá)到40 MPa，下層廊道最大值達(dá)到60 MPa，但該高應(yīng)力區(qū)僅發(fā)生在內(nèi)側(cè)表面底角部位，面積較小、深度不大，可通過優(yōu)化廊道斷面結(jié)構(gòu)型式予以解決。廊道上、下外表面的大主應(yīng)力值分別為10 MPa和20 MPa。

(4)拉應(yīng)力主要分布在底板內(nèi)表面和頂拱內(nèi)表面，上層廊道最大拉應(yīng)力值為10 MPa，在靠近兩岸部位達(dá)到20 MPa；下層廊道最大拉應(yīng)力值為20 MPa，在靠近兩岸位置達(dá)到30 MPa。過大的拉應(yīng)力可能誘發(fā)廊道出現(xiàn)張拉裂縫問題，但高拉應(yīng)力區(qū)主要分布在底板和頂拱的內(nèi)表面，深度相對(duì)較淺，該部位可采取加強(qiáng)布置限裂鋼筋的措施予以解決。

4 對(duì)進(jìn)一步研究的思考

(1)心墻監(jiān)測廊道斷面有待進(jìn)一步優(yōu)化。由上述計(jì)算結(jié)果可知，廊道底角內(nèi)表面存在小區(qū)域的應(yīng)力集中問題。鑒于特里壩、烏茲別克斯坦Charavak壩采用圓形斷面，且內(nèi)部采用鋼襯，故筆者建議了以下兩種廊道斷面優(yōu)化方案，可供今后進(jìn)一步深入研究，如圖4所示。即方案1，仍采用城門洞形，斷面尺寸調(diào)整為2 m×2.5 m，底角采用圓角，同時(shí)內(nèi)部采用鋼襯；方案2，采用圓形斷面，內(nèi)徑2.5 m，同時(shí)內(nèi)部采用鋼襯。

圖4 廊道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)建議(單位：cm)

(2)結(jié)合現(xiàn)場施工條件、廊道接縫部分軸向應(yīng)力、擠壓及張拉變位情況，進(jìn)一步開展科學(xué)的廊道分縫措施研究。

(3)考慮到廊道塊體之間、廊道與岸坡連接部位的大剪切變形、高水頭及復(fù)雜應(yīng)力條件，接縫止水系統(tǒng)的可靠性及耐久性，有必要開展室內(nèi)或現(xiàn)場試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

(1)為解決300 m級(jí)特高堆石壩監(jiān)測儀器的適應(yīng)性問題，壩體監(jiān)測廊道提供了一種新途徑。

(2)堆石壩內(nèi)心墻監(jiān)測廊道設(shè)計(jì)需重點(diǎn)解決好三方面的關(guān)鍵技術(shù)問題：①剛性廊道與心墻、廊道與岸坡之間的變形適應(yīng)性及應(yīng)力安全問題；②廊道周邊的防滲抗?jié)B問題，不致形成滲流薄弱面；③接縫止水結(jié)構(gòu)的可靠性及耐久性問題。

(3)基于非連續(xù)接觸算法的廊道三維精細(xì)化有限元模擬方法，為合理評(píng)價(jià)廊道結(jié)構(gòu)的安全性，把握研究方向，提供了重要參考。

(4)鑒于目前國內(nèi)外監(jiān)測廊道的經(jīng)驗(yàn)不多，在廊道斷面優(yōu)化、科學(xué)的廊道塊體分縫措施、接縫止水系統(tǒng)的可靠性及耐久性等方面，今后有待進(jìn)一步深入研究。