碾盤山水利水電樞紐工程水下拋填筑壩應(yīng)力變形安全性分析

中圖分類號：TV5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在土石壩工程建設(shè)中，常采用水下拋填塊石、砂、砂礫石及石碴料等散粒體材料形成擋水圍堰或下部壩體。在自重、水阻力和黏滯力等共同作用下，拋填材料的水下堆積過程十分復(fù)雜，水下拋填壩體密度相對松散且難以控制[1]。堆積密度是影響壩體結(jié)構(gòu)型式和防滲體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，然而針對水下拋填施工形成的壩體密實(shí)度，工程界迄今缺乏可靠的理論計(jì)算方法及經(jīng)驗(yàn)公式。

針對顆粒堆積問題，部分學(xué)者嘗試從堆積方式、堆積強(qiáng)度、顆粒粒徑、顆粒形狀和不同粒徑的組合等方面開展研究，取得了不少成果[2-7]。然而，水下填料的顆粒組成不均勻，級配變化大，導(dǎo)致水下堆積不確定性大，使得土石壩工程中的水下拋填顆粒堆積問題非常復(fù)雜。填料的堆積密度是影響其力學(xué)性質(zhì)的主要因素，對大壩工程建設(shè)和運(yùn)行安全具有重要影響[。青海直崗拉卡水電站采用水下拋填卵礫石方式填筑壩體，實(shí)際拋填深度約 2.1m ，由于無法準(zhǔn)確測定水下拋填密度，擔(dān)心拋填料密實(shí)度可能不夠?qū)е聣误w變形過大甚至心墻開裂，最終設(shè)計(jì)方案中在上游壩面增設(shè)一道土工膜與心墻共同組成壩體防滲體系[9]。三峽工程二期圍堰施工水位達(dá) 60m 三分之二堰體在水下施工，操作難度極大[10-11]，20世紀(jì)80年代，長江科學(xué)院利用土工離心模型試驗(yàn)裝置，在 100g 離心加速度條件下模擬 60m 水深原型情況，針對不同料場、不同級配的花崗巖風(fēng)化砂開展8組離心模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)化砂拋填后密度與水深、 P₅ （粒徑小于 5mm 的顆粒）含量密切相關(guān)，風(fēng)化砂拋填體干密度沿深度逐漸增大，當(dāng) P₅ 含量為 30%～60% 時(shí)，水下拋填干密度達(dá)到1.65～1.86g/cm³ ?；谠囼?yàn)成果，建議上部 30m 堰體的干密度取 1.70g/cm³ ，下部 30m 堰體的干密度取 1.80g/cm³ 。這一研究結(jié)果大大簡化了圍堰斷面結(jié)構(gòu)和工程量，其可靠性也在后續(xù)堰體開挖中得到證實(shí)[12-13]，為三峽工程二期圍堰筑壩材料的室內(nèi)力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)及應(yīng)力變形數(shù)值分析提供了重要支撐。

本文針對湖北碾盤山水利水電樞紐工程二期土石壩水下填筑問題，采用離心模型試驗(yàn)得到水下拋填體的密度與坡角，通過大型三軸試驗(yàn)得到筑壩材料的力學(xué)參數(shù)，基于二期土石項(xiàng)典型斷面建立有限元應(yīng)力變形數(shù)值模型開展計(jì)算分析，評價(jià)不同運(yùn)行工況下的大壩結(jié)構(gòu)安全，研究成果為碾盤山水利水電樞紐二期工程設(shè)計(jì)和施工提供了重要支撐。

1 工程概況

碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游干流湖北省鐘祥市境內(nèi)，上距規(guī)劃中的雅口樞紐 58km 下距鐘祥市區(qū) 10km ，距丹江口水利樞紐壩址262.27km 。大壩正常蓄水位 50.72m ，總庫容8.77億 m³ ，壩址控制流域面積 140 340km² ，多年平均流量 1465m³/s ，多年平均徑流量462億 m³ 。

碾盤山水利水電樞紐工程從左至右依次布置左岸連接土壩、泄水閘、電站廠房、連接混凝土重力壩、魚道及船閘。左岸連接土壩段總長 450.60m 壩頂高程 53.80m ，底高 37.92～47.00m ，最大壩高15.88m ，頂寬 10m ，大壩上、下游壩坡均為 1：3 采用塑性混凝土心墻防滲，墻厚 60cm 。上游土石圍堰堰頂高程 51.13m ，寬 10m ，迎水坡為 1：3.0 ，背水坡為 1：2.5 ，采用塑性混凝土防滲墻上接復(fù)合土工膜斜墻防滲，防滲墻厚 0.40m ，入巖 lm 。下游土石圍堰堰頂高程 49.51m ，寬 10m ，迎水坡為 1：3.0 背水坡為 1：2.5 ，采用塑性混凝土防滲墻上接復(fù)合土工膜斜墻防滲，防滲墻厚 0.40m ，入巖 1m 。大壩施工次序?yàn)橄炔捎盟聮佁罘绞叫纬缮?、下游圍堰，再填筑中間壩體部分直至設(shè)計(jì)高程。

2水下拋填離心模型試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

水下拋填試驗(yàn)在長江科學(xué)院CKY-200型現(xiàn)代化多功能土工離心機(jī)上進(jìn)行。該機(jī)有效半徑 3.7m ，吊籃平臺尺寸 1.2m×1.0m×1.5m ，最大加速度 200g 無級調(diào)速，調(diào)速精度 0.1g ，有效容量 200g?t 模型箱尺寸為 100cm×40cm×80cm （長 × 寬 × 高），箱體一側(cè)為透明有機(jī)玻璃，便于試驗(yàn)過程中監(jiān)控觀察。模型箱中部設(shè)置隔板，尺寸為 45cm×38cm×1 cm（長 × 寬 × 厚），隔板上部堆放拋填材料，下部裝水。試驗(yàn)過程中，在模型離心加速度逐級增大至設(shè)計(jì)加速度后，啟動(dòng)電動(dòng)提升裝置，通過鋼絲繩和滑輪連接，將模型箱中部隔板拉出，隔板上部填料拋填至模型箱下部的水中，再將離心機(jī)在恒定加速度下運(yùn)轉(zhuǎn)到填料穩(wěn)定為止。在模型箱上部布置豎向加載裝置，可施加豎向荷載來模擬上覆堆載。圖1和圖2分別為水下拋填離心模型試驗(yàn)三維示意圖和實(shí)物。

2.2 拋填材料

拋填材料采用3種漢江河床內(nèi)砂礫石料NPS1、NPS2、NPS3。如圖3所示，拋填材料的最大粒徑不超過 100mm ， ΔP₅ 含量分別為 36.8% 、 51.2% ，28.3% 。根據(jù)篩分試驗(yàn)得到3種拋填材料的 d₆₀ d₃₀ 、 d₁₀ ，計(jì)算得到3種拋填材料的不均勻系數(shù) C_u 分別為58.4、77.1、16.4，曲率系數(shù) C_c 分別為 0.1， 0.1， 7.6。 C_u?5 且 C_c 為 1～3 的土級配良好，因此3種砂礫石拋填料均為級配不良土。

2.3 試驗(yàn)方案

表1列出了水下拋填離心模型試驗(yàn)方案。針對NPS1、NPS2、NPS3等3種拋填材料，開展不同水深條件下（模擬水深分別為5、10、 14m ）的水下拋填離心模型試驗(yàn)，離心模型試驗(yàn)中采用進(jìn)占式拋填模擬現(xiàn)場實(shí)際情況。

2.4離心試驗(yàn)結(jié)果分析

離心試驗(yàn)結(jié)束后，首先通過預(yù)留排水管將模型中的水排出，取出部分拋填料后稱量質(zhì)量，采用灌水法測量體積，計(jì)算得到不同工況下拋填料的密度和相對密度（見圖4）。結(jié)果表明，對于同一種拋填材料，水下拋填密度隨著水深的增大逐漸增大。在水深 5m 條件下，砂礫石的拋填相對密度約為0.24～0.31 ，為松散階段；在水深 10m 條件下，砂礫石的拋填相對密度約為 0.26～0.37 ，為松散－中密過渡階段，相對密度略有提高；隨著水深繼續(xù)增大至 14m ，相對密度進(jìn)一步增大，約為 0.31～0.39 進(jìn)一步施加上覆堆載 12.8m ，相對密度增大至0.42～0.56 ，達(dá)到中密狀態(tài)，說明上覆荷載作用能顯著提高水下拋填砂礫石的相對密度。

3水下拋填料力學(xué)特性研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

如圖5所示，采用YLSZ30-3型高壓三軸儀對水下拋填料開展三軸試驗(yàn)研究。該儀器由豎向荷載加載、穩(wěn)壓、控制系統(tǒng)，周圍壓力加載、穩(wěn)壓、控制系統(tǒng)，三軸壓力室，反力框架，位移、體變量測系統(tǒng)，荷載傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。三軸試樣直徑為300mm ，高度為 610mm ，試驗(yàn)最大圍壓 3.0MPa 最大軸向應(yīng)力 21MPa ，最大軸向行程 300mm 。

3.2 試驗(yàn)材料

分析拋填料級配曲線可知，3種拋填料粒徑超過60mm 顆粒含量均小于 10% ，因此室內(nèi)三軸試驗(yàn)采用剔除法進(jìn)行級配縮尺得到試驗(yàn)級配。如表2所示，分別采用表面振動(dòng)擊實(shí)法和人工松填法測得試驗(yàn)級配下拋填料的最大干密度和最小干密度，根據(jù)水下拋填試驗(yàn)得到的 14m 水深、上覆堆載 12.8m 條件下的相對密度結(jié)果，計(jì)算得到3種試驗(yàn)級配的試驗(yàn)干密度分別為2.02、1.86、 2.03g/cm³ 。

3.3 三軸試驗(yàn)結(jié)果

表3為根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果整理得到的3種水下拋填料的鄧肯模型參數(shù)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。對于NPS1填料，凝聚力 C_d 為 8kPa ，摩擦角 為 37.1^° ；對于NPS2填料，凝聚力 C_d 為 6kPa ，摩擦角 為35.6^° ；對于NPS3填料，凝聚力 C_d 為 15kPa ，摩擦角 為 38.0^° 。3種大壩填筑料的內(nèi)摩擦角均滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)范》（SL251—2015）中填筑料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)中內(nèi)摩擦角的要求 ）。

4二期土石壩應(yīng)力變形分析

4.1有限元計(jì)算模型及參數(shù)

基于碾盤山左岸土石壩典型斷面建立二維有限元應(yīng)力變形數(shù)值模型（見圖6），計(jì)算分析左岸土石壩的應(yīng)力變形發(fā)展規(guī)律。壩體、堰體防滲墻與筑壩材料、壩基覆蓋層之間材料性質(zhì)相差較大，計(jì)算中在防滲墻與筑壩材料、壩基覆蓋層之間均設(shè)置接觸單元。計(jì)算中精確模擬大壩施工及蓄水全過程，施工程序?yàn)椋?① 上、下游圍堰填筑； ② 主壩的分級填筑施工； ③ 分級蓄水。荷載施加按照填筑次序依次進(jìn)行。

初期發(fā)電期對應(yīng)的工況為上、下游圍堰填筑完成，圍堰上游水位為初期發(fā)電水位 46m ，圍堰下游水位為 39.67m ；大壩竣工期對應(yīng)的工況為大壩填筑完成，圍堰上游水位為初期發(fā)電水位 46m ，圍堰下游水位為 39.67m ；大壩蓄水期對應(yīng)的工況為大壩填筑完成，大壩上游水位為正常蓄水位 50.72m ，大壩下游水位為 39.67m

計(jì)算中各種材料計(jì)算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果及參考類似工程經(jīng)驗(yàn)確定，其中塑性混凝土防滲墻計(jì)算參數(shù)參考三峽工程二期圍堰塑性混凝土防滲墻試驗(yàn)成果[14]?；鶐r的密度 ρ 為 2.60g/cm³ ，彈性模量 E 為 2.75GPa ，泊松比 μ 為0.30

4.2 壩體及上、下游圍堰變形、應(yīng)力分析

4.2.1 初期發(fā)電期

約定項(xiàng)體的應(yīng)力以拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)。表4為初期發(fā)電期上、下游圍堰的變形、應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)。當(dāng)上、下游圍堰填筑完成、水位蓄至初期發(fā)電水位時(shí)，上游圍堰豎向沉降最大值為 7.8cm 占最大堰高的 0.295% ，位于堰體中部高程附近，向上游位移的最大值為 0.2cm ，位于圍堰上游側(cè)堰腳附近，向下游位移的最大值為 5.6cm ，位于堰體軸線中部高程附近，堰體大、小主應(yīng)力最大值分別為 -0.398MPa 和 -0.142MPa ，均位于堰體底部。下游圍堰豎向沉降最大值為 9.3cm ，占最大堰高的0.415% ，位于堰體中部高程附近，向上游位移的最大值為 6.7cm ，位于堰體軸線中部高程附近，向下游位移的最大值為 0.1cm ，位于圍堰下游側(cè)堰腳附近，堰體大、小主應(yīng)力最大值分別為 -0.341MPa 和-0.066MPa ，均位于圍堰底部。初期發(fā)電期堰體的應(yīng)力、變形均在合理的范圍之內(nèi)。

4.2.2 大壩竣工期

表5為大壩竣工期上、下游圍堰及大壩整體的變形、應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)，圖7為大壩竣工期上、下游圍堰和大壩整體變形分布。當(dāng)大壩整體填筑完成后，上、下游圍堰的豎向變形和水平變形較初期發(fā)電期均有所增大。上游圍堰豎向最大沉降為16.0cm，占最大堰高的 0.597% ，位于圍堰下游側(cè)中部高程，向上游位移的最大值為 0.9cm ，位于圍堰下游側(cè)堰腳附近，向下游位移的最大值為 4.5cm ，位于堰體軸線中部高程附近；堰體大、小主應(yīng)力最大值分別為 -0.493MPa 和 -0.216MPa ，均位于圍堰底部。下游圍堰豎向沉降最大值為 13.8cm ，占最大堰高的0.618% ，位于圍堰上游側(cè)中部高程，向上游位移的最大值為 5.6cm ，位于圍堰上游側(cè)中上高程，向下游位移的最大值為 1.9cm ，位于圍堰上游側(cè)堰腳附近，堰體大、小主應(yīng)力最大值分別為 -0.356MPa 和-0.111MPa ，均位于圍堰底部。大壩整體沉降最大值為23.2cm，占最大壩高的 0.699% ，位于壩體中部高程下游側(cè)壩體內(nèi)，向上游位移的最大值為 5.6cm ，位于下游圍堰中部高程，向下游位移的最大值為 4.5cm ，位于上游圍堰中部高程，壩體大、小主應(yīng)力最大值分別為 -0.493MPa 和 -0.216MPa ，位于壩體底部。竣工期大壩整體和堰體的變形、應(yīng)力均在合理范圍之內(nèi)。

4.2.3 大壩蓄水期

表6為大壩蓄水期上、下游圍堰及大壩整體的變形、應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)，圖8為大壩蓄水期上、下游圍堰及大壩整體變形分布。當(dāng)水位蓄至正常蓄水位后，受浮力作用影響，上游圍堰豎向沉降較大壩竣工期略微減小，豎向沉降最大值為 14.9cm ，占最大堰高的 0.556% ，位于圍堰下游側(cè)中部高程，向上游位移的最大值為 0.9cm ，位于圍堰頂部高程附近，向下游位移的最大值為 3.4cm ，位于圍堰頂部高程附近。堰體大、小主應(yīng)力最大值分別為 -0.520 MPa和 -0.215MPa ，均位于圍堰底部。下游圍堰豎向沉降最大值為 13.9cm ，占最大堰高的 0.622% ，位于圍堰上游側(cè)中部高程，向上游位移的最大值為5.2cm，位于圍堰上游側(cè)中上高程，向下游位移的最大值為 2.7cm ，位于圍堰上游側(cè)堰腳附近，堰體大、小主應(yīng)力最大值分別為 -0.369MPa 和 -0.113MPa 均位于圍堰底部。大壩整體豎向沉降最大值為23.0cm，占最大壩高的 0.693% ，位于壩體中部高程下游側(cè)壩體內(nèi)，向上游位移的最大值為 5.2cm ，位于下游圍堰中部高程，向下游位移的最大值為 8.3cm 位于壩體下游側(cè)中部高程，壩體大、小主應(yīng)力最大值分別為 -0.572MPa 和 -0.215MPa ，均位于圍堰底部。蓄水期大壩整體和堰體的變形、應(yīng)力均在合理范圍之內(nèi)。

4.3 防滲墻變形、應(yīng)力分析

圖9為不同階段壩體和堰體的塑性混凝土防滲墻水平位移沿高程的變化曲線?？芍?，由于壩體填筑順序?yàn)樯?、下游圍堰填筑完成后再填筑中間壩體，上游圍堰防滲墻向下游位移逐漸減小，初期發(fā)電期、大壩竣工期、大壩蓄水期分別為5.7、5.4、5.1cm;下游圍堰防滲墻向上游變形逐漸減小，初期發(fā)電期、大壩竣工期、大壩蓄水期分別為6.8、5.6、 5.2cm 水平位移最大值均出現(xiàn)防滲墻體中上部。上游圍堰、下游圍堰、壩體防滲墻水平位移最大值對應(yīng)的最大撓跨比為 0.22% 、 0.28% 、 0.25% ，說明防滲墻發(fā)生撓曲破壞的可能性不大。

表7為不同階段塑性混凝土防滲墻變形、應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)?？芍跗诎l(fā)電期和大壩竣工期各防滲墻均無拉應(yīng)力，大壩蓄水期在水壓力作用下，壩體防滲墻出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為 0.25MPa ，位于防滲墻下部。表明塑性混凝土防滲墻受力狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)剪切破壞單元，大壩防滲墻在自重和水壓力荷載作用下不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

5 結(jié)論

以湖北碾盤山水利水電樞紐工程水下拋填填筑土石壩為研究對象，通過離心模型試驗(yàn)、大型三軸試驗(yàn)以及有限元數(shù)值模擬，對水下拋填料的工程特性及大壩結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

（1）針對3組砂礫石料開展水下拋填離心模型試驗(yàn)，得到拋填料的水下拋填密度，為二期土石壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參數(shù)指標(biāo)。

（2）根據(jù)離心模型試驗(yàn)得到的水下拋填料相對密度，對3組砂礫石料開展了大型三軸試驗(yàn)研究，得到拋填料的鄧肯模型參數(shù)和強(qiáng)度變形指標(biāo)，為大壩應(yīng)力、變形數(shù)值分析提供準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)。

（3）建立了考慮施工過程的大壩應(yīng)力變形有限元數(shù)值模型，通過計(jì)算分析，揭示了上下游圍堰、壩體和防滲墻在初期發(fā)電期、大壩竣工期、大壩蓄水期的應(yīng)力、變形發(fā)展規(guī)律。在施工期及運(yùn)行期大壩整體和堰體的應(yīng)力、變形均在合理范圍之內(nèi)，塑性混凝土防滲墻受力狀態(tài)良好，不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

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Safety Analysis of Stress and Deformation for Underwater Filled Dam in Hubei Nianpanshan Hydroelectric Junction Project

LIU Xiancai1，LU Yiwei2，SHENLiqun1，JIANG Fengming1，SHI Xiaoshi1，CHENLei1 （1.Hubei Institute of Water Resources Survey and Design，Wuhan 430070，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanicsand Engineering ofMinistryof Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Thecofferdamsand mostof the dam bodyofearth-rock damin the leftbankofthe Hubei Nianpanshan Hydroelectric Junction Project were constructed by underwater filing method.Theengineering characteristics of underwater filing materials are highlycomplex，and the development pattrnsofstress and deformationof the dam during construction andoperation stages require further study.This study employed the centrifugal model tests and large-scale triaxialtests toinvestigate thedensityandstrength-deformationcharacteristicsofthefillmaterials forearthrock daminthe leftbankof Nianpanshan.Afiniteelement numericalmodelofthedam was establishedtoanalyse the stressand deformation distributionpatterns inthe upstreamand downstream cofferdams，dam body，andcutoff wals during the initial power generation period，dam completion period，and dam impoundment period.Results show that the stressand deformation of the damandcofferdams are within the acceptablerange during the construction and operation periods，and the plasticconcretecutoff wals are in good stress conditions with no shear failure observed.

Key words：underwater filling；centrifugal model test；enginering characteristic；stress；deformation; safety analysis