碎石樁加固地基對(duì)風(fēng)化料壩應(yīng)力變形影響研究

吳海波， 李炎隆， 張 寧， 唐 旺， 陳安珂

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048； 2.扶風(fēng)縣水利局， 陜西 扶風(fēng) 722200)

1 研究背景

大壩工程建設(shè)中，在深厚覆蓋層地基上修建土石壩是不可避免的，如果不挖除覆蓋層將土石壩修建在其上可以減少工程成本費(fèi)用，減短工期，便于施工導(dǎo)流，但覆蓋層會(huì)使得大壩產(chǎn)生較大的不均勻沉降[1-2]。為了控制壩體的變形，需要對(duì)覆蓋層地基進(jìn)行加固處理。振沖置換法是一種典型的加固處理軟弱覆蓋層地基的方法，在處理粉細(xì)砂、中粗砂和礫砂、粉土、黏土、人工填土等地基的加固中取得了廣泛的應(yīng)用[3]，可以有效改善地基原有的壓縮模量、強(qiáng)度指標(biāo)。振沖置換法在早期主要用于建筑地基處理，近些年來(lái)逐漸用于水利工程中土石壩軟弱地基的處理。振沖碎石樁加固地基是振沖置換法的一種方式，廣泛應(yīng)用于軟弱覆蓋層地基的加固處理中，可以有效提高基礎(chǔ)承載力，改善地基的變形能力[4]。湯浦面板堆石壩的軟黏土地基利用振沖碎石樁加固處理后，壩基的承載力明顯提高[5]；務(wù)坪黏土心墻壩的湖積層軟土地基通過(guò)振沖碎石樁加固處理后，壩基承載力得到較大提高[6]；陰坪水電站利用碎石樁對(duì)軟弱地基加固后，地基砂土液化問(wèn)題及承載力問(wèn)題得到了有效解決[7]；利用碎石樁對(duì)長(zhǎng)江護(hù)岸覆蓋層地基加固處理后，有效地解決了地基的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題[8]。但國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于振沖碎石樁復(fù)合地基上土石壩應(yīng)力變形特性的研究沒(méi)有過(guò)多深入進(jìn)行探究。根據(jù)以往的工程實(shí)踐可知，高土石壩在竣工后會(huì)產(chǎn)生一定的流變變形[9]，例如水布埡[10]、天生橋[11]等面板堆石壩以及小浪底[12]心墻堆石壩。在考慮流變變形的情況下，水布埡面板堆石壩蓄水期壩體沉降比不考慮流變?cè)黾恿?.21 m，九甸峽面板堆石壩竣工期及蓄水期的壩體沉降比不考慮流變分別增加了0.06和0.07 m，同時(shí)由于堆石體的流變變形，應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)松弛現(xiàn)象[13-14]。所以堆石體的流變特性是影響壩體應(yīng)力和變形的重要因素，考慮流變因素對(duì)研究壩體應(yīng)力變形特性至關(guān)重要。

本文以覆蓋層地基上的某混凝土防滲墻風(fēng)化料壩為背景，采用三維非線性有限元方法，在考慮壩料流變特性的基礎(chǔ)上，研究振沖碎石樁加固地基對(duì)風(fēng)化料壩應(yīng)力變形的影響，以期為深厚覆蓋層上土石壩的建設(shè)和壩基處理技術(shù)的研究提供一定的理論依據(jù)和參考價(jià)值。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

云南某水庫(kù)大壩為混凝土防滲墻風(fēng)化料壩，壩高65 m，混凝土防滲墻墻體厚1.0 m，在混凝土防滲墻上、下游兩側(cè)以及底部分別設(shè)0.1 m厚的泥皮和0.5 m厚的沉渣過(guò)渡。壩軸線長(zhǎng)度為184 m，壩頂寬度6 m，壩頂高程1 863.0 m。上游壩坡度在高程1 851 m以下為1∶2.5，高程1 851 m以上為1∶2.25；下游壩坡度在高程1 832 m以下為1∶2.25，高程1 832 m以上為1∶2.0。壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面如圖1所示。第四系覆蓋層局部分布于河床和兩岸山坡，主要構(gòu)成為洪沖積層(Qpal)和崩坡積層(Qcodl)，具體覆蓋層分布情況如圖2所示。其中洪沖積層(Qpal)主要由漂石、塊石、卵礫石、砂及含黏土碎石組成，表層結(jié)構(gòu)松散，成分為板巖、石英片巖、砂巖等，強(qiáng)度堅(jiān)硬，板塊狀，少量扁圓狀，漂石最大粒徑達(dá)100～200 cm，分布在河床，厚14.0～23.0 m，地基承載力大于500 kPa。崩坡積層(Qcodl)根據(jù)物質(zhì)成分組成分為：(1)Qcodl-2：灰白、灰黃色混合土塊石，塊石粒徑20～30 cm，含量約占50%～55%，碎石粒徑6～10 cm，含量約15%～20%，礫粒3～5 cm，含量約占10%，充填細(xì)粒為黏質(zhì)粉土，含量約占5%～10%，碎、礫石成分為強(qiáng)、弱風(fēng)化砂板巖，結(jié)構(gòu)松散，中等透水，厚度15～30 m，主要分布于壩址段左岸坡腳，地基承載力為370 kPa；(2)Qcodl-1：灰白、灰黃色混合土碎石，碎石粒徑6～15 cm，含量約占50%～60%，礫粒3～5 cm，含量約占10%，充填細(xì)粒為黏質(zhì)粉土，含量約占15%～25%，其余為中粗砂，碎、礫石成分為強(qiáng)、弱風(fēng)化砂板巖，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，鉆進(jìn)困難，中等～弱透水，厚度20～44 m，主要分布于壩址段右岸坡，地基承載力為300 kPa。

圖1 實(shí)例工程混凝土防滲墻風(fēng)化料壩標(biāo)準(zhǔn)剖面

圖2 實(shí)例工程壩址處地質(zhì)橫剖面圖

2.2 振沖碎石樁加固處理

大壩右岸中下部地表為第四系崩坡積(Qcodl-1)灰白、灰色混合土碎石，厚度較大，且分布不均勻，承載力較低，壓縮變形量較大。對(duì)右岸表層進(jìn)行清除后采用碎石振沖樁進(jìn)行基礎(chǔ)加固處理，碎石樁加固區(qū)如圖3所示。

圖3 碎石加固區(qū)域

主要對(duì)右岸覆蓋層地基進(jìn)行碎石樁加固處理，以減小覆蓋層地基的不均勻沉降對(duì)壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。碎石樁樁體為等邊三角形布置，樁體孔距和樁體排距均為2 m，碎石樁布置見(jiàn)圖4。

圖4 振沖碎石樁布置詳圖(單位：mm)

樁體的平均長(zhǎng)度為24 m，加固處理的面積為11 972 m2，總進(jìn)尺約為81 514 m。樁體材料為碎石，樁體的直徑為0.8 m，碎石樁振沖平臺(tái)的寬度約為10～14 m，結(jié)合實(shí)際地形進(jìn)行布置。

3 數(shù)值模型的構(gòu)建與參數(shù)

3.1 有限元模型

根據(jù)該風(fēng)化料壩的相關(guān)設(shè)計(jì)圖建立三維有限元模型，見(jiàn)圖5。計(jì)算中以橫河向?yàn)閤軸方向，向右岸為正；以順河向?yàn)閥軸方向，向下游為正；以豎直方向?yàn)閦軸方向，向上為正。兩岸壩肩的基巖取100 m，順河向的基巖取150 m，豎直向下的基巖取200 m，壩基底部施加固定端約束，上、下游邊界以及兩岸壩肩均施加法向約束。計(jì)算模型均采用八結(jié)點(diǎn)六面體單元，共有588 910個(gè)單元，568 874個(gè)結(jié)點(diǎn)。

3.2 材料本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)

鄧肯-張E-B模型[15]作為非線性彈性模型之一，因概念清晰、形象直觀、應(yīng)用方便，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛[16]。本文在計(jì)算碎石樁加固地基與未加固地基下壩體的應(yīng)力變形時(shí)，堆石體本構(gòu)模型為鄧肯-張E-B模型，材料參數(shù)由同類工程類比獲得，具體參數(shù)的取值如表1所示；防滲墻采用線彈性本構(gòu)模型，密度為2.4 g/cm3，泊松比為0.2，彈性模量為22.0 GPa；覆蓋層采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，依據(jù)工程地質(zhì)勘測(cè)資料的建議值，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。應(yīng)用復(fù)合地基模擬碎石樁加固地基，即碎石樁與其周圍的土體形成等效復(fù)合土體[17]，復(fù)合地基的計(jì)算參數(shù)依據(jù)勘測(cè)資料以及《水利水電工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》[18]中的相關(guān)公式來(lái)取值。本文中所用的流變模型為沈珠江等[19]提出的三參數(shù)模型，流變模型參數(shù)的取值根據(jù)試驗(yàn)和類比相似工程可得，如表3所示。

3.3 計(jì)算條件

根據(jù)大壩的實(shí)際填筑順序及運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，計(jì)算時(shí)壩體填筑共分57個(gè)加載級(jí)模擬，第58級(jí)澆筑防滲墻，蓄水共分為3級(jí)蓄至正常蓄水位。

本文在考慮壩體材料流變特性的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算在振沖碎石樁加固地基與未加固地基下，壩體與防滲墻在蓄水期(蓄至正常蓄水位之時(shí))及運(yùn)行期的應(yīng)力變形，研究振沖碎石樁加固地基對(duì)壩體和混凝土防滲墻在蓄水期及運(yùn)行期應(yīng)力變形的影響。

表1 鄧肯-張模型(E-B)參數(shù)

表2 覆蓋層模型參數(shù)

表3 流變模型參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 壩體應(yīng)力變形分析

選取碎石樁加固范圍內(nèi)的K0+115.0 m剖面，即圖3 中的A-A剖面，進(jìn)行壩體應(yīng)力變形分析，壩體在各階段的應(yīng)力變形的最大值列于表4中，限于篇幅限制，只列出在振沖碎石樁加固地基情況下大壩運(yùn)行10年的應(yīng)力變形云圖，如圖6～9所示。

由圖6～9可知，在振沖碎石樁加固地基下大壩運(yùn)行10年后，壩體最大沉降值為31.04 cm，占?jí)胃叩?.47 %，出現(xiàn)在大約1/2壩高處，相比未加固地基下大壩運(yùn)行10年的壩體最大沉降值減小了17.6%；壩體水平位移均指向下游，其最大值為25.13 cm，出現(xiàn)在下游大約1/2壩高處，相比未加固地基下大壩運(yùn)行10年的向下游水平位移的最大值減小了17.5%；壩體大、小主應(yīng)力隨深度的增加而增加，壩體大主應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力值為1.00 MPa，位置在心墻底部，在上游壩面出現(xiàn)小部分的拉應(yīng)力；壩體小主應(yīng)力大部分都為壓應(yīng)力，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值為0.46 MPa，出現(xiàn)在心墻底部附近，拉應(yīng)力最大值為0.04 MPa，出現(xiàn)在上游壩面；振沖碎石樁加固地基下大壩運(yùn)行10年的壩體大、小主應(yīng)力最大值相比未加固地基下大壩運(yùn)行10年的有所減小。但應(yīng)力減小的幅度小于變形減小的幅度，說(shuō)明利用振沖碎石樁加固地基，可以更有效地控制壩體的變形。

由表4可知，不論是振沖碎石樁加固地基與否，壩體大、小主應(yīng)力的壓應(yīng)力最大值在大壩運(yùn)行1年后均有所減小，其后隨著運(yùn)行時(shí)間的增加保持穩(wěn)定不變；大壩運(yùn)行5年后，在上游壩面處產(chǎn)生了較小的拉應(yīng)力，隨后拉應(yīng)力數(shù)值隨著運(yùn)行時(shí)間的增加基本保持穩(wěn)定不變。通過(guò)對(duì)比各階段的壩體的大、小主應(yīng)力最大值，可以看出利用振沖碎石樁加固地基之后，壩體的大、小主應(yīng)力的最大值都有所減小，可見(jiàn)利用振沖碎石樁加固地基可以改善壩體的應(yīng)力狀態(tài)。

在振沖碎石樁加固地基和未加固地基下，壩體A-A剖面的沉降最大值和水平位移最大值隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖10～11所示，由圖10、11可知，壩體沉降和水平位移的最大值隨著大壩運(yùn)行年限的增長(zhǎng)而增大，在大壩運(yùn)行1年之后基本保持穩(wěn)定不變。利用碎石樁加固地基之后，壩體沉降以及水平位移的最大值都明顯減小，這說(shuō)明利用振沖碎石樁對(duì)地基進(jìn)行加固處理，可以有效減小壩體變形，利于壩體穩(wěn)定。

圖6 在加固地基下大壩運(yùn)行10年后壩體A-A剖面沉降分布云圖

圖7 在加固地基下大壩運(yùn)行10年后壩體A-A剖面水平位移分布云圖

圖8 在加固地基下大壩運(yùn)行10年后壩體A-A剖面大主應(yīng)力分布云圖

圖9 在加固地基下大壩運(yùn)行10年后壩體A-A剖面小主應(yīng)力分布云圖

表4 壩體A-A剖面應(yīng)力變形最大值計(jì)算結(jié)果

4.2 防滲墻應(yīng)力變形分析

選取防滲墻縱剖面分析其應(yīng)力變形，防滲墻在各階段的應(yīng)力變形的最大值列于表5中。限于篇幅限制，只列出在加固地基情況下大壩運(yùn)行10年的防滲墻應(yīng)力變形云圖，如圖12～15所示。

由圖12～15可知，在振沖碎石樁加固地基下大壩運(yùn)行10年后，防滲墻沉降最大值為43.38 cm，占防滲墻高度的0.532%，出現(xiàn)在大約2/3墻高處；防滲墻水平位移均指向下游，防滲墻的向下游水平位移最大值為36.43 cm，出現(xiàn)在大約1/2墻高處；防滲墻的大主應(yīng)力最大值為11.40 MPa，小主應(yīng)力的最大壓應(yīng)力為9.61 MPa，最大拉應(yīng)力值為7.07 MPa，大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在地基與防滲墻分界面處。與未加固地基的大壩運(yùn)行10年后相比，加固地基之后防滲墻沉降最大值減小了10.1%，向下游水平位移最大值減小了14.3%，大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值均有所減小，但應(yīng)力減小的幅度沒(méi)有變形減小的幅度大，說(shuō)明利用振沖碎石樁加固地基可以有效地控制防滲墻的變形。

由表5可知，不論振沖碎石樁加固地基與否，防滲墻的大、小主應(yīng)力的壓應(yīng)力最大值在大壩運(yùn)行1年后有所減小，其后隨著運(yùn)行時(shí)間的增加保持穩(wěn)定不變，小主應(yīng)力的拉應(yīng)力最大值在大壩運(yùn)行1年后有所增大，其后基本保持穩(wěn)定不變。通過(guò)對(duì)比防滲墻在各階段的應(yīng)力最大值，可以看出利用振沖碎石樁加固地基之后，防滲墻的大、小主應(yīng)力最大值有所減小。

圖10 壩體A-A剖面沉降最大值變化 圖11 壩體A-A剖面向下游水平位移最大值變化

圖12 在加固地基下大壩運(yùn)行10年后防滲墻縱剖面沉降分布云圖 圖13 在加固地基下大壩運(yùn)行10年后防滲墻縱剖面水平位移分布云圖

圖14 在加固地基下大壩運(yùn)行10年后防滲墻縱剖面大主應(yīng)力分布云圖 圖15 在加固地基下大壩運(yùn)行10年后防滲墻縱剖面小主應(yīng)力分布云圖

表5 防滲墻縱剖面應(yīng)力變形最大值計(jì)算結(jié)果

在振沖碎石樁加固地基和未加固地基下，防滲墻縱剖面的沉降最大值、水平位移最大值隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖16～17所示，從圖16、17可以看出，防滲墻沉降和水平位移的最大值隨著大壩運(yùn)行年限的增長(zhǎng)而增大，在大壩運(yùn)行1年之后基本保持穩(wěn)定不變。利用碎石樁加固地基之后，防滲墻沉降以及向下游水平位移的最大值都明顯減小，可見(jiàn)利用振沖碎石樁加固地基可以有效地控制防滲墻的變形。

圖16 防滲墻縱剖面沉降最大值變化

圖17 防滲墻縱剖面向下游水平位移最大值變化

5 結(jié) 論

本文對(duì)擬建于覆蓋層上的某混凝土防滲墻風(fēng)化料壩，在考慮堆石料流變特性的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行振沖碎石樁加固地基與未加固地基下，大壩在蓄水期及運(yùn)行期應(yīng)力變形的有限元計(jì)算分析，通過(guò)計(jì)算得到以下結(jié)論：

(1)利用振沖碎石樁加固地基之后，壩體與防滲墻的應(yīng)力和變形都有所減小，相比之下變形減小的更明顯，由此可知利用振沖碎石樁加固地基可以有效地控制壩體以及防滲墻的變形，改善大壩的應(yīng)力狀態(tài)。

(2)不論振沖碎石樁加固地基與否，隨著大壩運(yùn)行時(shí)間的增加，壩體和防滲墻的位移最大值都有所增大，并于運(yùn)行1年后基本保持穩(wěn)定不變。

(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在覆蓋層與基巖的交界面處，混凝土防滲墻出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，小主應(yīng)力的拉應(yīng)力最大值明顯超過(guò)了素混凝土的抗拉強(qiáng)度，建議對(duì)防滲墻進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浣睿蕴岣咂淇估瓘?qiáng)度。