溢流式面板堆石壩壩身變形特性敏感性研究

耿 旭，李懷斌，劉 辛，黨海霞，李 祥，渠繼顯，任國兵，吳 俊

(1.貴州新中水工程有限公司，貴陽 550000； 2.六枝特區(qū)水務(wù)局，貴州 六盤水 553400；3.貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，貴陽 550000； 4.安順市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，貴州 安順 561000)

1 概 述

克羅蒂面板堆石壩[1]是世界上首次在面板壩頂及下游壩面上布置開敞式溢洪道的工程。其加固措施為：在每一塊疊瓦式底板的頂部布置水平阻滑板，同時(shí)還在底板和壩體之間布置水平錨筋[1-2]。根據(jù)克羅蒂壩的監(jiān)測(cè)資料[1]，認(rèn)為澳大利亞設(shè)計(jì)尚有富余；一些學(xué)者關(guān)于底板抗滑穩(wěn)定的研究認(rèn)為，基于靜力分析理論，溢流面板堆石壩底板加固措施可作簡(jiǎn)化。據(jù)此，并結(jié)合已建工程的底板加固措施和施工的可行性，提出一種鋼筋混凝土格柵式底板加固措施，即在每塊泄槽底板頂端與壩體之間，布置水平外包混凝土的錨拉筋與埋在壩體內(nèi)的預(yù)制混凝土橫梁連接起來所形成的加固形式[2-6]。

文獻(xiàn)[2-3]從探討改變流速、加固措施長(zhǎng)度和底板厚度等參數(shù)，分析穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律；推導(dǎo)帶水平加固措施的溢洪道底板靜力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算式，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)直觀分析方法，對(duì)底板抗滑穩(wěn)定敏感性進(jìn)行研究，底板厚度和寬度對(duì)穩(wěn)定性的影響較弱。溢流式面板壩壩體變形以及隨之而來的裂縫導(dǎo)致滲漏和壩身穩(wěn)定安全的問題，因此本文采取壩身變形特性來探討加固措施中各因素之間的敏感性。文獻(xiàn)[2]采用的流速為平均流速，而根據(jù)文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]溢流面上各斷面的流速是變化的，為真實(shí)反映泄槽底板的水平拖拽力和脈動(dòng)壓力，本文采用分段求和法計(jì)算各斷面的流速。

2 影響溢流面壩身變形特性敏感性分析

為探索錨固梁寬度、錨固梁高度、錨拉筋長(zhǎng)度、錨固板長(zhǎng)度、泄洪量以及堰頂插筋長(zhǎng)度等因素對(duì)溢流面壩身變形的影響，采用正交設(shè)計(jì)方法，依托在建工程松樹林水庫，采用非線性彈性模型(鄧肯E-B模型)進(jìn)行分析。在建工程松樹林水庫溢流面典型剖面見圖1，采用的鄧肯E-B模型[11]參數(shù)見表1，各因素水平見表2，正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 松樹林水庫溢流面典型剖面

表1 松樹林水庫E-B模型參數(shù)

表2 各因素水平

表3 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

各因素的水平改變對(duì)變形量的影響不同，極差越大的因素對(duì)變形量的影響越大[12]。表3中各因素對(duì)溢流面壩身變形的敏感性排序?yàn)椋篎(堰頂插筋長(zhǎng)度)>C(錨固鋼筋長(zhǎng)度)>B(錨梁高度)>A(錨梁寬度)>E(流量)>D(錨固板長(zhǎng)度)。

為便于探討各指標(biāo)隨因素水平變化的情況，采用Oringin處理表3數(shù)據(jù)，見圖2-圖5。各點(diǎn)之間實(shí)際不是直線，但為便于分析，將各點(diǎn)用直線連接起來。為便于討論各因素與變形量的關(guān)系，將C因素、D因素、F因素的數(shù)據(jù)均縮小10倍，E因素?cái)?shù)據(jù)縮小100倍，以便放在同一圖像中分析；圖3中因素增量均為各水平減去第1水平。

圖2 因素F與變形量變化規(guī)律

圖3 因素F增量與變形量增量變化規(guī)律

圖4 各因素與變形量變化規(guī)律

圖5 各因素增量與變形量增量變化規(guī)律

結(jié)合表3及圖2-圖5分析各因素對(duì)變形量的影響：

1) 堰頂插筋長(zhǎng)度F對(duì)變形量的影響。從表3得出，堰頂插筋長(zhǎng)度的極差是最大的，堰頂插筋長(zhǎng)度是影響變形量的最大因素。從圖2中得出，堰頂插筋長(zhǎng)度6 m時(shí)變形量最小0.084 98 m，2～3 m時(shí)變形量增加，3～6 m變形量減小，在3 m處出現(xiàn)極大值0.091 28 m。從圖3中得出，堰頂插筋長(zhǎng)度增量與變形量增量呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，擬合曲線方程為y=-0.002 09x+0.004 07，R2=0.994 98。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，堰頂插筋長(zhǎng)度較小時(shí)，不能有效減小變形，隨著堰頂插筋長(zhǎng)度增加，變形量降低；堰頂插筋長(zhǎng)度增量與變形量增量呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2) 錨固鋼筋長(zhǎng)度C對(duì)變形量的影響。從表3得出，錨固鋼筋長(zhǎng)度的極差比堰頂插筋長(zhǎng)度的極差小，排在第二，錨固鋼筋長(zhǎng)度是影響變形量的次要因素。從圖4中得出，錨固鋼筋長(zhǎng)度4～8 m時(shí)，變形量隨著錨固鋼筋長(zhǎng)度的增加而減小；錨固鋼筋長(zhǎng)度8～12 m時(shí)，變形量隨著錨固鋼筋長(zhǎng)度的增加而增加；在錨固鋼筋長(zhǎng)度8 m處出現(xiàn)極小值0.087 9 m。從圖5中得出，變形量增量在錨固鋼筋長(zhǎng)度8 m出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之前的變形量增量隨著錨固鋼筋長(zhǎng)度增量的增大而減小，拐點(diǎn)之后變形量增量隨著錨固鋼筋長(zhǎng)度增量的增大而增大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在一定范圍內(nèi)(小于錨固鋼筋長(zhǎng)度8 m)，增加錨固鋼筋長(zhǎng)度有利于減小變形量，錨固鋼筋長(zhǎng)度大于8 m，增加錨固鋼筋長(zhǎng)度反而增加變形量。

3) 錨梁高度B對(duì)變形量的影響。從表3得出，錨梁高度是影響變形量的第三因素。從圖4中得出錨梁高度0.7 m時(shí)變形量最小，0.4～0.7 m變形量降低，而0.7～0.8 m時(shí)變形量增加，變形量最小值0.088 m。從圖5中得出，錨梁高度增量在一定范圍內(nèi)隨著增量的增大，變形量增量減小，突變點(diǎn)在0.6～0.8 m之間，隨著錨固鋼筋長(zhǎng)度增量增加，變形量增量反而增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，錨梁高度在一定范圍內(nèi)隨著高度增加有利于減小變形量，但隨著高度的繼續(xù)增加，變形量反而增加。錨梁高度在0.7 m(含0.7 m)至0.8 m之間時(shí)，變形量最小。

4) 錨梁寬度A對(duì)變形量的影響。從表3得出，錨梁寬度的極差是0.000 58，錨梁寬度變化對(duì)變形量的影響比錨梁高度對(duì)變形量的影響小。從圖4中得出，錨梁寬度與變形量呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，擬合曲線方程為：y=-0.002 09x+0.004 07，R2=0.994 98，增加錨梁寬度有利于降低變形量。從圖5中得出，錨梁寬度增量與變形量增量呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，擬合曲線方程為：y=-0.001 36x-0.000 05，R2=0.913 83。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，變形量隨著錨梁寬度增大而減小，增加錨梁寬度有利于減小變形，且呈線性減小。

5) 流量E對(duì)變形量的影響。從表3得出，流量的極差0.000 56，流量變化對(duì)變形量的影響比錨固板長(zhǎng)度對(duì)變形量的影響大。從圖4中得出，在設(shè)計(jì)流量和校核流量時(shí)變形量均較小(0.088 22和0.088 24 m)；其他流量時(shí)的變形量均比設(shè)計(jì)流量和校核流量時(shí)的變形量大，呈W型。從圖5中得出，流量增量與變形量增量呈W型。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，流量與變形量呈W型，流量增量與變形量增量呈W型,下泄流量在設(shè)計(jì)流量和校核流量時(shí)變形量最小,其余流量下變形量均比設(shè)計(jì)流量下變形量大。

6) 錨固板長(zhǎng)度D對(duì)變形量的影響。從表3得出，錨固板長(zhǎng)度的極差最小，錨固板長(zhǎng)度變化對(duì)變形量的影響最小。從圖4中得出，隨著錨固板長(zhǎng)度的增加，變形量整體呈下降趨勢(shì)，但在錨固板長(zhǎng)度4 m處變形量出現(xiàn)極值0.088 38 m，錨固板長(zhǎng)度大于4 m，變形量隨著錨固板長(zhǎng)度增加而增加。從圖5中得出，變形量增量與錨固板長(zhǎng)度增量呈拋物線型，擬合曲線為y=-0.000 05x2+0.000 26x-0.000 71，R2=0.992 31。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，錨固板長(zhǎng)度4 m時(shí)變形量最小，變形量增量與錨固板長(zhǎng)度增量呈拋物線型。

3 結(jié) 語

基于正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)影響溢流面壩身變形的錨固梁寬度、錨固梁高度、錨拉筋長(zhǎng)度、錨固板長(zhǎng)度、泄洪量以及堰頂插筋長(zhǎng)度等因素進(jìn)行極差分析，主要結(jié)論如下：

1) 各因素對(duì)溢流面壩身變形的敏感性排序?yàn)椋篎(堰頂插筋長(zhǎng)度)>C(錨固鋼筋長(zhǎng)度)>B(錨梁高度)>A(錨梁寬度)>E(流量)>D(錨固板長(zhǎng)度)。

2) 堰頂插筋長(zhǎng)度較小時(shí)，不能有效減小變形，隨著堰頂插筋長(zhǎng)度增加，變形量降低；堰頂插筋長(zhǎng)度增量與變形量增量呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。在一定范圍內(nèi)(小于錨固鋼筋長(zhǎng)度8 m)，增加錨固鋼筋長(zhǎng)度有利于減小變形量，錨固鋼筋長(zhǎng)度大于8 m，增加錨固鋼筋長(zhǎng)度反而增加變形量。錨梁高度在一定范圍內(nèi)隨著高度增加有利于減小變形量，但隨著高度的繼續(xù)增加，變形量反而增加。錨梁高度在0.7 m(含0.7 m)至0.8 m之間時(shí)，變形量最小。變形量隨著錨梁寬度增大而減小，增加錨梁寬度有利于減小變形，且呈線性減小，擬合曲線方程為y=-0.002 09x+0.004 07，R2=0.994 98。流量與變形量呈W型，流量增量與變形量增量呈W型,下泄流量在設(shè)計(jì)流量和校核流量時(shí)變形量最小,其余流量下變形量均比設(shè)計(jì)流量下變形量大。錨固板長(zhǎng)度4 m時(shí)變形量最小，變形量增量與錨固板長(zhǎng)度增量呈拋物線型。

3) 本文討論的變形是壩體總變形的最大值，試驗(yàn)中考慮不同土體之間的接觸以及加固措施中各因素之間的接觸，試驗(yàn)結(jié)果可能與不考慮接觸的試驗(yàn)結(jié)果有差別。本文討論采用的鄧肯E-B模型，試驗(yàn)結(jié)果可能與雙屈服面彈塑性模型的試驗(yàn)結(jié)果有差別。