夾巖水利樞紐工程高面板堆石壩面板應(yīng)力分析及施工分期

管志保，魯思遠(yuǎn)，任慶鈺，陳 勇

（1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002；2.貴州省喀斯特地區(qū)水資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550002；3.貴陽水務(wù)（集團(tuán)）有限公司，貴州 貴陽 550081）

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）面板堆石壩，壩高超過150 m［1］。為滿足壩體填筑強度、面板施工強度和分期蓄水等要求，通常大壩面板需要分期澆筑［2-3］。一期面板澆筑完成后受壩體上部填筑沉降的進(jìn)一步影響，其受力條件較為惡劣，面板容易產(chǎn)生裂縫，面板施工分期高程選擇的是混凝土面板堆石壩建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，將直接影響工程蓄水安全，需要慎重分析研究確定［4］。本文通過面板應(yīng)力變形三維有限元分析成果，結(jié)合壩體填筑、面板澆筑施工強度和壩體度汛等因素，綜合分析了選擇面板施工分期高程。

1 工程概況

夾巖工程大壩為混凝土面板堆石壩［5］，壩頂高程1 328.0 m，最低建基面高程1 174.00 m，最大壩高154.00 m，壩頂寬度10.00 m，壩頂長424.26 m。大壩上游壩坡1∶1.406，下游壩面與上壩公路相結(jié)合，設(shè)“之”字型公路，公路寬10.0 m，公路間大壩壩坡1∶1.35，平均壩坡約1∶1.669。壩頂上游設(shè)倒“T”形防浪墻，防浪墻頂高程為1 329.20 m，墻底高程1 324.61 m，防浪墻高4.59 m，底寬4.50 m。

大壩上游面為C30W12F100鋼筋混凝土面板，面板厚度以T=0.4+0.0035H（m）控制，面板厚度T=0.4～0.923 m，平均厚度為0.662 m，最大厚度為0.923 m，位于河床段趾板。為適應(yīng)壩體變形，受壓區(qū)面板寬度為12.0 m，兩岸邊受拉區(qū)為8.0 m，面板內(nèi)布置雙層雙向鋼筋。

面板下游與墊層料之間設(shè)置擠壓邊墻，擠壓邊墻為梯形斷面，上寬100 mm，下寬660 mm，高400 mm，外坡1∶1.4，內(nèi)坡垂直。

大壩面板及趾板的接縫止水類型有面板垂直縫、周邊縫、防浪墻底縫、防浪墻體伸縮縫和趾板伸縮縫。

2 面板應(yīng)力變形分析計算

2.1 計算模型

在該項目進(jìn)行壩體應(yīng)力變形分析時，堆石料的本構(gòu)模型采用沈珠江提出的“南水”雙屈服面彈塑性模型［6］，該模型與非線性彈性模型相比，可以考慮堆石體的剪脹和剪縮特性，能夠較為真實地反映壩體的應(yīng)力應(yīng)變性狀?；炷撩姘宀捎镁€彈性模型，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合廣義虎克定律［7］。面板混凝土結(jié)構(gòu)與周圍材料接觸面采用Goodman單元進(jìn)行模擬。面板周邊縫接縫材料采用連接單元模擬。流變計算模型選用以指數(shù)型衰減的Merchant模型來模擬常應(yīng)力下的ε-t衰減曲線。

2.2 施工順序模擬

三維實體單元一般采用8結(jié)點六面體等參單元，為適應(yīng)邊界條件以及壩料分區(qū)的變化，部分采用三棱體和四面體作為退化的六面體單元處理，單元編號根據(jù)壩體施工順序進(jìn)行。共形成三維實體單元8 907個，結(jié)點7 441個。

有限元計算模擬填筑-蓄水運行18 a全過程。共分為54級進(jìn)行模擬，其中壩體填筑分22級模擬計算，蓄水過程分14級模擬計算，蓄水運行分18級模擬計算。

2.3 壩體變形計算成果

大壩壩體變形計算成果見表1［8］。

表1 壩體變形計算成果對比 cm

考慮流變變形后，竣工期壩體最大沉降量為59.6 cm，該量值約為壩高的0.39%，發(fā)生在壩軸線高程1 259.0 m附近，發(fā)生位置約為壩高的55%；蓄水期壩體最大沉降量為65.4 cm，該量值約為壩高的0.42%，發(fā)生在壩軸線高程1 260.0 m附近，發(fā)生位置約為壩高的56%；運行期壩體最大沉降量為72.3 cm，該量值約為壩高的0.47%，發(fā)生在壩軸線高程1 265.0 m附近，發(fā)生位置約為壩高的59%。各工況壩體沉降變形分布見圖1～6。

圖1 竣工期河床斷面0+0壩體沉降分布（單位：cm）

圖2 蓄水期河床斷面0+0壩體沉降分布（單位：cm）

圖3 運行期河床斷面0+0壩體沉降分布（單位：cm）

圖4 竣工期壩軸線縱沉降變形分布（單位：cm）

圖5 蓄水期壩軸線沉降變形分布（單位：cm）

圖6 運行期壩軸線沉降變形分布（單位：cm）

2.4 面板應(yīng)力變形計算成果

夾巖工程大壩混凝土面板應(yīng)力變形計算成果見表2。

考慮流變變形后，蓄水期面板最大撓度為19.3 cm，發(fā)生在壩橫0+000.0，高程1 229.0 m附近，發(fā)生位置約為壩高的36%；運行期面板最大撓度為25.1 cm，發(fā)生在壩橫0+000.0，高程1 233.0 m附近，發(fā)生位置約為壩高的38%。各工況面板撓度變形分布見圖7～8。

表2 大壩面板計算成果

圖7 蓄水期面板撓度變形分布（單位：cm）

圖8 運行期面板撓度變形分布（單位：cm）

考慮流變變形后，蓄水期面板順坡向應(yīng)力為13.06 MPa，發(fā)生在壩橫右0+005.0，高程1 220.0 m附近，發(fā)生位置約為壩高的30%；運行期面板順坡向應(yīng)力為14.22 MPa，發(fā)生在壩橫0+005.0，高程1 224.0 m附近，發(fā)生位置約為壩高的33%。各工況面板應(yīng)力分布見圖9～10。

圖9 蓄水期面板順坡向應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖10 運行期面板順坡向應(yīng)力分布（單位：MPa）

3 面板施工分期高程分析

面板施工分期高程分析主要考慮如下幾個方面。

（1）面板應(yīng)力變形。根據(jù)規(guī)范要求，面板施工分期高程宜盡量避開應(yīng)力變形較大范圍，根據(jù)大壩有限元分析計算成果，面板應(yīng)力變形較大的河床部位高程范圍為1 220.0～1 233.0 m（約為壩高的1/3處），面板施工分期高程宜盡量避開此處，并盡量遠(yuǎn)離該區(qū)域，即從面板應(yīng)力變形考慮，面板分期高程宜在1 250 m以上較為合適。

（2）壩體填筑超高。根據(jù)規(guī)范要求，分期面板頂部應(yīng)低于填筑體頂部高程，高差按不同壩高宜為5～20 m，壩高者取大值。夾巖工程目前大壩填筑高程為1 266.0 m，填筑超高按不小于10 m控制，面板分期高程選擇在不高于1 256 m處較為合適。

（3）面板最大塊長。夾巖工程面板最大高差約149 m，最大塊長約256 m。根據(jù)DL/T 5128-2009《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》［9］，壩高大于70 m時，面板可分期澆筑，故夾巖工程宜采用面板分期澆筑。夾巖工程面板長度中分高程約1 250 m，考慮一期面板最大塊長占比控制在40%～60%時，對應(yīng)的面板最大塊長為100～150 m，面板施工分期高程宜控制在1 234～1 264 m。

圖11 面板分期高程-長度-面積-體積關(guān)系曲線

（4）面板澆筑強度。夾巖工程面板總面積5.39萬㎡，混凝土工程量3.14萬m3。一期面板頂部不同分期高程對應(yīng)一期面板占比分布曲線見圖11，面板長度中分高程約1 250 m，面板體積中分高程約1 270 m。為確保工期安全，一期面板混凝土澆筑時間安排在2019年3月初至4月底，二期面板混凝土澆筑時間安排在2020年3月初至4月底，一、二期面板澆筑工期安排基本相當(dāng)?？紤]一期面板混凝土工程量占比控制在40%～60%時，對應(yīng)的面混凝土量控制在1.2萬～1.9萬m3，面板施工分期高程宜控制在1 254～1 284 m。

（5）壩體度汛。2019年汛前，大壩應(yīng)具備臨時斷面擋水條件，大壩防洪度汛標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，對應(yīng)的洪峰流量3 410 m3/s，壩前度汛最高水位為1 263.88 m，目前大壩填筑高程為1 266.0 m，高于度汛水位，大壩已具備臨時斷面擋水條件，壩體可采用擠壓邊墻表面噴涂乳化瀝青防滲，故大壩施工度汛不制約面板施工分期高程選擇（見表3）。

綜上所述，從面板應(yīng)力變形分布、壩體填筑超高、面板最大塊長、面板澆筑強度以及壩體防洪度汛等方面考慮，選擇面板施工分期高程為1 254.0 m。此時一期面板共計20塊，面板總長約1 822 m，二期面板共計46塊，面板總長約4 657 m；一期面板混凝土工程量為1.20萬m3，二期面板混凝土工程量為1.94萬m3，約為面板總混凝土量的60%。

表3 面板施工分期高程選擇

4 一期面板施工時機選擇

根據(jù)SL 49-2015《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》［3］第5.3.18條：填筑完成至面板澆筑的壩體預(yù)沉降期宜為3～6個月，150 m以上高壩不宜少于6個月；對于沉降期的控制標(biāo)準(zhǔn)，宜按照面板頂部壩體沉降速率小于5 mm/月控制。

根據(jù)工期安排，大壩一期面板澆筑時間安排在2019年3月6日，壩體一期面板高程1 254.0 m以下沉降期為3.2～4.7個月。根據(jù)壩體沉降觀測成果，目前壩體最大沉降量168.16 mm，位于壩體中部高程1 218.0 m處，沉降量約為填筑壩高的0.18%，總壩高的0.11%；一期面板附近壩體沉降速率為4.53 mm/月，滿足規(guī)范要求。考慮到面板澆筑時機推后將使面板澆筑時間推遲到汛期，不利于工程度汛安全，且汛期氣溫較高，不利于面板防裂控制，夾巖工程大壩一期面板預(yù)留沉降期優(yōu)化為3～4.5個月，確保一期面板能在汛前澆筑完成，但應(yīng)采取措施減少面板裂縫產(chǎn)生。

5 存在問題及應(yīng)對措施

由于夾巖工程一期面板壩體預(yù)留沉降期比規(guī)范要求時間縮短25%～50%，且壩體總沉降量比有限元計算值及其他類似工程偏小近50%，存在壩體進(jìn)一步沉降導(dǎo)致面板裂縫產(chǎn)生風(fēng)險，經(jīng)分析研究決定從以下幾個方面做好應(yīng)對措施。

（1）為增加壩體預(yù)留沉降期，宜對面板塊段澆筑次序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，先澆筑面板長度相對較小的岸坡壩段面板，再澆筑面板長度相對較高的河床壩段面板，變相提高壩體預(yù)留沉降期。

（2）增加面板水平施工縫輔助止水系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用中間止水+表層止水型式［10］；中間止水采用BW-Ⅱ型遇水膨脹止水條，沿分縫處通長布置，端部延伸至面板垂直縫W型銅止水翼緣內(nèi)側(cè)，止水條應(yīng)在后澆混凝土開倉前2 h貼上，防止止水條提前吸水膨脹；表面止水采用13 mm厚三元乙丙復(fù)合橡膠板內(nèi)包裹柔性填料型式，橡膠板展開寬度458 mm，柔性填料面積70.2 cm2。施工縫結(jié)構(gòu)布置見圖12。

圖12 面板水平施工縫結(jié)構(gòu)布置示意（單位：mm）

（3）在面板水平施工縫附近增加測縫計、脫空計等安全監(jiān)測儀器，為面板變形反演分析及后期處理提供數(shù)據(jù)支持。

（4）二期面板混凝土澆筑之前，應(yīng)對已澆筑面板進(jìn)行脫空檢查，若產(chǎn)生脫空，應(yīng)以低強度、低壓縮性材料灌注密實。

6 結(jié)論

（1）通過三維有限元分析，夾巖工程竣工期壩體最大沉降量為59.6 cm，該量值約為壩高的0.39%，發(fā)生在55%壩高處；蓄水期面板最大撓度為19.3 cm，發(fā)生在36%壩高處；蓄水期面板順坡向應(yīng)力為13.06 MPa，發(fā)生在30%壩高處。三維有限元計算成果與其他類似工程基本一致。

（2）經(jīng)綜合考慮，面板施工分期高程選擇在1 254.0 m。此時一、二期面板最大塊長基本相等，一期面板混凝土約為面板總混凝土量的40%，面板施工分期高程選擇避開了面板應(yīng)力變形較大范圍，同時滿足工程總工期要求，為工程建設(shè)順利推進(jìn)打下堅實的基礎(chǔ)。

（3）由于夾巖工程一期面板存在壩體預(yù)留沉降期偏短、壩體總沉降量偏小的情況，若壩體進(jìn)一步沉降會加大面板裂縫產(chǎn)生風(fēng)險，需要通過調(diào)整面板澆筑次序、增設(shè)輔助止水系統(tǒng)、增加安全監(jiān)測儀器等措施，減輕面板開裂漏水風(fēng)險。