軟硬壩基先筑壩后建塑性混凝土防滲墻應(yīng)力與變形分析

張周文

(中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

1 工程概況

高達(dá)水庫(kù)工程位于廣西來(lái)賓市武宣縣境內(nèi)的黔江支流東鄉(xiāng)河上游，是一座供水、灌溉功能的中型水庫(kù)，壩址以上流域集雨面積為27.6 km2，水庫(kù)總庫(kù)容為1 090萬(wàn)m3，正常蓄水位為276 m，大壩軸線長(zhǎng)為625 m，新建大壩為先筑壩后成墻的塑性混凝土防滲心墻土石壩，壩頂高程為278.5 m，防浪墻頂高程為279.5 m，壩頂寬為6.1 m，最大壩高為65.5 m，上游坡坡比為1∶2.25，下游坡自上而下坡比分別為1∶2、1∶2、1∶2.25，塑性混凝土防滲心墻厚為0.8 m，布置在壩體中心線靠上游側(cè)1.8 m，心墻上下游側(cè)為過(guò)渡層，過(guò)渡層邊坡為1∶0.2，上下游壩殼填料為料場(chǎng)開(kāi)挖石渣混合料，壩址及壩體剖面如圖1～圖2所示。

圖1 壩體典型橫剖面示意

圖2 壩址縱剖面示意

大壩左岸地形平坦地基洪坡積碎石土層覆蓋層最大厚度達(dá)33 m，其下伏基巖多層溶洞分布，溶洞厚度最大為18 m，其中溶洞中無(wú)充填占比為15.4%，有充填的溶洞占比為84.6%，單孔線容率平均值為35.16%，最大值75.98%，壩址區(qū)屬于巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)；河床洪坡積層厚度為5～10 m，透水性強(qiáng)，河床左側(cè)地形陡峭基巖出露，為粉砂泥質(zhì)巖；大壩右岸邊坡較緩覆蓋殘坡積土層為6～12 m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，覆蓋層厚度t=0的壩長(zhǎng)為20 m，占3.2%，0

雖然通過(guò)先筑壩后成墻方式可降低大壩填筑施工階段產(chǎn)生的沉降對(duì)塑性混凝土防滲心墻的影響，但是，蓄水階段大壩還會(huì)產(chǎn)生水平和沉降變形，因此，針對(duì)如此復(fù)雜的壩基地質(zhì)條件如何選擇高壩、低壩均適應(yīng)的塑性混凝土配合比，驗(yàn)證軟硬壩基塑性混凝土防滲心墻的的應(yīng)力與變形，是有待解決的主要技術(shù)問(wèn)題之一。

2 不同壩高塑性混凝土防滲墻參數(shù)的選擇

2.1 計(jì)算模型與邊界條件

根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(第2版)第6卷土石壩》[1]采用鄧肯—張E-B模型，根據(jù)大壩的縱橫剖面圖，采用Autobank[2]建立二維非線性有限元計(jì)算模型，模型計(jì)算范圍為：上、下游大于2倍壩高，地基大于1.5倍壩高。

計(jì)算過(guò)程中，邊界條件設(shè)為：模型底部固定z方向位移，左右側(cè)固定x方向位移、y方向鉸支。

2.2 計(jì)算斷面與參數(shù)

根據(jù)壩基覆蓋層和基巖相近的原則選取河床至右岸段3個(gè)斷面，分別為右岸斷面1(壩高為25 m)、右岸斷面2(壩高為40 m)、右岸斷面3(壩高為65.5 m)。

鄧肯-張E-B計(jì)算模型各分區(qū)材料的參數(shù)類(lèi)比其他工程[2-11]取值見(jiàn)表1所示，基巖按彈性材料考慮取值見(jiàn)表2所示。

表1 鄧肯—張E-B模型各分區(qū)材料參數(shù)

表2 基巖(彈性材料)參數(shù)

根據(jù)工程類(lèi)比[3-15]選用3組不同配合比塑性混凝土防滲墻經(jīng)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3、表4所示。

表3 塑性混凝土防滲墻配合比

表4 不同配合比塑性混凝土防滲墻模型計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算工況及方案

由于采用先筑壩后成墻的施工工藝，大壩填筑完成后才施工防滲墻，故計(jì)算工況僅考慮蓄水期，施工期填筑加載步根據(jù)不壩高分別確定，一般為壩高的1/10，下面以右岸斷面3(壩高為65.5 m)為例說(shuō)明加載步如下：施工填筑共11個(gè)加載步，第1個(gè)加載步為模擬壩基施工，位移歸0，第2個(gè)至第10個(gè)加載步為壩體填筑施工，按照6.55 m 1個(gè)填筑加載步進(jìn)行加載，第11個(gè)加載步為防滲墻施工，第1個(gè)加載步至11個(gè)加載步表面豎向位移為0；蓄水階段共1個(gè)加載步，模擬正常蓄水位蓄水加載過(guò)程。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1防滲墻應(yīng)力與應(yīng)變分析

不同壩高、不同配合比的防滲墻的最大、最小主應(yīng)力和垂直、水平位移最大值對(duì)比見(jiàn)表5，右岸斷面3(蓄水期) 心墻大、小主應(yīng)力等值線見(jiàn)圖3、圖4，垂直、水平位移等值線見(jiàn)圖5、圖6。

表5 不同壩高、不同配合比防滲墻的大、小主應(yīng)力和垂直、水平位移最大值對(duì)比

a 配合比1

b 配合比2

c 配合比3圖3 右岸斷面3(蓄水期) 心墻大主應(yīng)力等值線示意

a 配合比1

b 配合比2

c 配合比3圖4 右岸斷面3(蓄水期) 心墻小主應(yīng)力等值線示意

a 配合比1

b 配合比2

c 配合比3圖5 右岸斷面3(蓄水期) 心墻垂直位移等值線示意

a 配合比1

b 配合比2

c 配合比3圖6 右岸斷面3(蓄水期) 心墻水平位移等值線示意

從表5可知，右岸斷面1在3種配合比條件下心墻的大、小主應(yīng)力和垂直、水平位移均變化不大，且應(yīng)力、位移值均較小，故3種配合比均適用右岸斷面1；右岸斷面2在3種配合比條件下心墻的垂直、水平位移均變化不大，大主應(yīng)力最大的是配合比3為172 kPa,其次是配合比1為133 kPa，最小是配合比2為93 kPa，均是位于壩高2/5附近，而小應(yīng)力最大的是配合比3為-262 kPa,其次是配合比1為-173 kPa，最小是配合比2為-157 kPa，均是分布在壩高1/3～2/3范圍，雖3種配合比均適用右岸斷面2，但相對(duì)而言配合比2優(yōu)于配合比1和配合比3；從表5和圖6可知：右岸斷面3在3種配合比條件下心墻的垂直、水平位移均變化不大，向下最大垂直位移均發(fā)生在2/3壩高處，最大值為56.6 cm(占?jí)胃叩?.86%)，向上垂直位移均為0，向下游水平位移均發(fā)生在壩頂，最大值為55.6 cm(占?jí)胃叩?.85%)，向上游水平位移均為0，大主應(yīng)力最大的是配合比3為212 kPa,其次是配合比1為204 kPa，最小是配合比2為179 kPa，均是位于壩高2/5附近，而小應(yīng)力最大的是配合比3為-465 kPa，稍微超過(guò)塑性混凝土抗拉強(qiáng)度極值450 kPa (抗拉強(qiáng)度極值取抗壓強(qiáng)度的10%)，存在被拉裂的風(fēng)險(xiǎn)，其次是配合比1為-319 kPa，最小是配合比2為-297 kPa，配合比1和配合比2的最大小應(yīng)力雖都滿足，但是配合比2其水平位移最大值50.4 cm較配合比1的55.6 cm小10%左右，因此，配合比2優(yōu)于配合比1。

綜上所述，選取配合比2作為大壩塑性混凝土的配合比。

3 軟硬壩基防滲墻的應(yīng)力與變形分析

根據(jù)上述選定的防滲墻配合比，軟壩基選取左岸斷面5(覆蓋層厚為22 m、壩高為25 m)、硬壩基選取河床斷面6(覆蓋層為0 m、壩高為55 m)共2個(gè)斷面分析防滲墻的應(yīng)力與變形，防滲墻的最大、最小主應(yīng)力和垂直、水平位移最大值對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 防滲墻的大、小主應(yīng)力和和垂直、水平位移最大值對(duì)比

從表6可知，左岸斷面五大主應(yīng)力最大值為106 kPa，位于1/3壩高處,小主應(yīng)力最大值為-228 kPa，位于壩基附近，向下最大垂直位移8.5 cm(占?jí)胃叩?.34%)發(fā)生在壩高1/3～2/3范圍，向上垂直位移為0，向下游最大水平位移10 cm(占?jí)胃叩?.4%)發(fā)生在壩頂，向上游水平位移為0；河床斷面六大主應(yīng)力最大值為54 kPa，位于1/3壩高處,小主應(yīng)力最大值為-307 kPa，位于壩基附近，向下最大垂直位移43.5 cm(占?jí)胃叩?.79%)發(fā)生在壩高1/3～2/3范圍，向上垂直位移為0，向下游最大水平位移39.5 cm(占?jí)胃叩?.72%)發(fā)生在壩頂，向上游水平位移為0。綜上所述，軟硬壩基防滲墻的應(yīng)力與變形滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

由于壩址岸坡的不對(duì)稱性和壩基覆蓋層的不均勻，為了滿足不同壩高塑性混凝土防滲墻的應(yīng)力變形要求，根據(jù)不同壩高、不同配合比的模擬計(jì)算結(jié)果選擇適應(yīng)不同壩高的配合比是可行的，經(jīng)驗(yàn)證軟硬壩基的塑性混凝土防滲墻的應(yīng)力變形也是滿足要求的，目前，大壩塑性混凝土防滲墻在施工中，已完成施工高程276 m,監(jiān)測(cè)還沒(méi)有開(kāi)始施工，下一步可根據(jù)防滲墻的應(yīng)力與變形監(jiān)測(cè)成果，對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行驗(yàn)證，可為類(lèi)似工程提供參考。