砂礫石覆蓋層上的面板堆石壩施工期沉降變形分析

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(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550003)

砂礫石覆蓋層上的面板堆石壩施工期沉降變形分析

潘盛澤，陳敏濤，嚴(yán)克淵

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550003)

厚層砂礫石覆蓋層具有較大的壓縮性，在其上修建的面板堆石壩可能產(chǎn)生很大的沉降變形。為研究壩體與壩基的沉降變形特征，以榕江縣龍?zhí)了畮鞛槔?，在考慮地基覆蓋層孔隙水壓力的條件下，利用GeoStudio軟件的SIGMA/W有限元模塊對大壩及壩基進(jìn)行了二維有限元模擬計(jì)算；結(jié)果表明：在大壩自重荷載的作用下，砂礫石覆蓋層產(chǎn)生的垂向位移較大，對面板堆石壩的沉降變形會產(chǎn)生較為明顯的影響；但大壩沉降變形仍然在合理的范圍內(nèi)，在砂礫石覆蓋層上修建面板堆石壩具有一定的可行性。

砂礫石；沉降；施工期；SIGMA/W；有限元

面板堆石壩是以堆石體為支承結(jié)構(gòu)，并在其上游表面澆筑混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)的堆石壩。它具有施工周期短、節(jié)省工程投資、安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今水利水電工程建設(shè)的重要壩型之一[1]。砂礫石是河床中一種常見的粗粒土，在沉積過程中，由于周圍自然環(huán)境的復(fù)雜與多變，導(dǎo)致其粒徑大小不等、結(jié)構(gòu)松散，具有較大的壓縮變形特征[2]。早期，在面板堆石壩施工前一般清除砂礫石覆蓋層將壩體填筑在穩(wěn)定的基巖上。然而，將面板堆石壩直接修建在砂礫石覆蓋層上具有節(jié)省工程量、縮短工期、簡化施工導(dǎo)流等明顯優(yōu)點(diǎn)[3]，但砂礫石覆蓋層作為大壩基礎(chǔ)，可能引起面板堆石壩產(chǎn)生較大的沉降變形，造成壩體預(yù)留沉降超高不足等問題而影響大壩的安全，所以研究砂礫石覆蓋層上的面板堆石壩的沉降變形是十分必要的。

影響面板堆石壩沉降變形的因素較多，如覆蓋層的厚度、河谷形狀、填筑料的密度等，一般與壩體高度和覆蓋層厚度平方成正比，與填料、覆蓋層的壓縮模量成反比。在施工期，面板堆石壩是處于一個不斷填筑的過程，隨著填筑高度的不斷升高，壩體下部堆石承受上部堆石的重量與覆蓋層的荷載不斷增加。壩體下部堆石體中的部分塊石棱角、較軟弱塊石被壓導(dǎo)致折斷或破裂，覆蓋層受壓后孔隙體積減少，從而導(dǎo)致壩體施工期沉降變形[4]。在施工期，壩體會隨著堆石體填筑和時間效應(yīng)完成大部分沉降變形[5]。本文以榕江縣龍?zhí)了畮鞛槔?，使用GeoStudio軟件的SIGMA/W模塊對壩體的填筑過程進(jìn)行了模擬，并選擇鄧肯E—B模型，對大壩與壩基進(jìn)行了施工期沉降變形的二維有限元分析。

1 工程概況

龍?zhí)了畮煳挥谫F州省榕江縣，擋水建筑為面板堆石壩，最大壩高67.3 m，壩頂高程511.3 m，壩頂寬6.0 m，上游壩坡為1:1.4，下游壩坡為1：1.35,下游壩坡設(shè)置了三條馬道。地基采用防滲墻進(jìn)行防滲處理，防滲墻厚0.8 m。面板由C25混凝土組成，面板厚度為0.4 m。趾板和連接板直接修建在河床砂礫石上。大壩施工前，挖除受水流沖刷的表層1 m厚的砂礫石層后，對壩基進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理，并在其表面鋪設(shè)反濾過渡料進(jìn)行保護(hù)。壩體斷面分區(qū)如圖1所示。

圖1 壩體斷面分區(qū)圖

壩址兩岸岸坡較陡，多見有基巖出露。河床為沖洪積砂礫石層，粒徑一般為0.3～30 cm，級配總體較好，厚11.0～12.0 m；砂礫石層下伏基巖為清水江組凝灰質(zhì)板巖。大壩全年用圍堰進(jìn)行擋水，為減小壩體不均勻沉降及其對面板的影響，壩體填筑采用全斷面均衡上升。壩體填筑到防浪墻底后經(jīng)4個月左右的預(yù)沉降，開始對混凝土面板進(jìn)行一次性的澆筑。另外，為了保證施工場地干燥與壩基強(qiáng)夯的效果，在上下游圍堰堰腳附近各開挖一個深2 m的集水坑，對圍堰滲水、雨水與施工廢水等進(jìn)行抽排。大壩在施工順序安排上，先進(jìn)行防滲墻與趾板的澆筑，后進(jìn)行大壩壩體的填筑；在壩體填筑和防滲墻施工結(jié)束且沉降基本穩(wěn)定后，再用連接板將防滲墻與趾板相連接，避免了施工期的不均勻沉降。

2 鄧肯E—B模型簡介

鄧肯E—B模型屬于非線性彈性模型。該模型的彈性模量是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，對加荷和卸荷的粗粒料分別采用不同的模量，能反映堆石體變形的非線性特征。它的參數(shù)少、物理概念較為明確，從常規(guī)三軸試驗(yàn)就可得到計(jì)算參數(shù)，目前對面板壩堆石體與砂砂礫石壩基的應(yīng)力變形計(jì)算分析中多采用該模型[6]，它具有十分豐富的類比計(jì)算成果。鄧肯張E—B 模型的彈性常數(shù)可按式(1)-(4)計(jì)算。

(1)

(2)

對卸荷與重新加載的情況，回彈模量由下式計(jì)算：

Eur=KurPa(σ3/Pa)n

(3)

對于粗料料(堆石料等)抗剪強(qiáng)度表示為：

φ=φ-Δφlg(σ3/Pa)

(4)

式中：Et為切線彈性模量，Bt為切線體積模量；c為土體粘聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角；Pa為大氣壓力；Rf為破壞比；K為初始模量系數(shù)；n為初始模量指數(shù)；Kb為體積模量系數(shù)；n為體積模量指數(shù)；Kur為卸載模量系數(shù)。

3 變形分析研究

3.1 計(jì)算模型的建立

SIGMA/W可通過控制區(qū)域的激活對大壩的施工順序進(jìn)行模擬，并采用線性、非線性的本構(gòu)模型對大壩及壩基進(jìn)行有限元分析，最終獲得壩體與壩基的沉降變形特征與應(yīng)力傳遞規(guī)律。

圖2 大壩有限元分析模型

根據(jù)壩高及壩段的地形地質(zhì)變化情況，通過最大壩高斷面建立模型，模型壩體高度為67.3 m，覆蓋層厚度為10.0～10.5 m，模型計(jì)算范圍為0

3.2 邊界條件

大壩基礎(chǔ)上、下游兩側(cè)為法向零位移邊界，底面為水平與法向零位移邊界，上部為自由邊界。地下水位線位于地表2 m以下，為了計(jì)算出準(zhǔn)確的初始應(yīng)力場，在堆填模擬前，對大壩進(jìn)行了考慮孔隙水壓力的原位分析。壩體施工期，荷載為堆填體自重，模擬荷載施加共分20級(即模擬面板堆石壩每層填筑的高度約為3.5 m)。防滲墻、趾板等混凝土結(jié)構(gòu)均按施工順序進(jìn)行模擬。

表1 鄧肯E-B 模型計(jì)算參數(shù)

3.3 材料模型參數(shù)

大壩填筑體與覆蓋層采用鄧肯E—B 模型模擬，以試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，通過工程地質(zhì)類比[7-8]，其模型參數(shù)見表1。各防滲結(jié)構(gòu)與基巖采用線彈性模型進(jìn)行模擬，其模型參數(shù)見表2。防滲結(jié)構(gòu)與壩體、覆蓋層之間可能存較大的相對位移，采用有厚度的接觸面單元來模擬，接觸面單元計(jì)算參數(shù)采用：G=100 GPa，φ=48，c=0，μ=0.33。

表2 防滲結(jié)構(gòu)和基巖計(jì)算參數(shù)

3.4 沉降變形分析

大壩與壩基的變形均以沉降變形為主，水平變形相對較小。大壩壩體沉降量隨時間的變化曲線如圖3所示，在壩體填筑初期，壩體沉降與填筑時間呈線性關(guān)系，此階段的沉降值相對較??；在壩體填筑中后期，壩體的沉降隨著筑壩的加高而快速增大，此階段壩體沉降增加量較大；在壩體填筑未期，大壩的沉降增加量逐漸減小最終趨近于零。

圖3 壩體沉降隨時間變化曲線

在施工期末，最大壩高斷面處壩體與基礎(chǔ)的沉降變形如圖4所示。在壩基砂礫石覆蓋層的影響下，壩體的最大沉降量為-0.368 m，約為大壩高度的0.55%，位于壩體中部略偏上的位置，與修建在基巖上的面板堆石壩相比最大沉降位置略向下偏移。

圖4 施工期末大壩與壩基沉降等值線圖(單位：m)

壩基砂礫石覆蓋層的變形由壩體填筑引起，最大沉降量為-0.16 m，位于大壩壩軸線附近，約為覆蓋層厚度的1.45%，為施工期末壩體的最大沉降量的43%；大壩上、下游兩側(cè)的覆蓋層會產(chǎn)生輕微的隆起現(xiàn)象，位移最大值為+0.012 m。表明在壩基不排水的情況下，地基的體積不發(fā)生改變；壩基中部沉降后，向上、下游兩側(cè)擠壓，導(dǎo)致兩側(cè)發(fā)生隆起。

由數(shù)值分析可知，壩頂沉降主要是由大壩堆填體與砂礫石地基的壓縮所引起。砂礫石覆蓋層在大壩堆填體荷載下產(chǎn)生較大的壓縮變形，進(jìn)而使壩體的沉降量增加，對面板堆石壩的沉降變形會產(chǎn)生較為顯著的影響。但是，大壩沉降變形仍然在合理的范圍內(nèi)，說明建于砂礫石覆蓋層上的面板堆石壩是較安全的。

另外，在施工期末，趾板向上游位移-0.071 m，同時趾板發(fā)生-0.005～+0.01 m的垂向位移；連接板向上游位移-0.056 m，連接板上游與下游端的垂向位移量分別+0.006 m、+0.009 m；防滲墻向上游位移最大-0.024 m，墻頂?shù)拇瓜蛭灰屏繛?0.006 cm。表明防滲結(jié)構(gòu)變形較小，壩體防滲較可靠。

近些年，已經(jīng)有越來越多的面板堆石壩直接修建在覆蓋層上，這為其它工程建設(shè)積累了較多的監(jiān)測資料與計(jì)算數(shù)據(jù)。本文選擇與龍?zhí)了畮烀姘宥咽瘔螇胃吲c覆蓋層相近的已建工程[9-10]，將沉降計(jì)算值與其進(jìn)行對比分析，可以看出本文的計(jì)算結(jié)果符合沉降變形規(guī)律，計(jì)算值較為合理，砂礫石壩基可以作為面板堆石壩的基礎(chǔ)。

3.5 應(yīng)力分析

施工期末大壩與壩基垂直應(yīng)力分布如圖5所示。由數(shù)值計(jì)算可知，面板堆石壩最大、最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的分布形態(tài)基本一致，最大值分別是1 300 KPa和700 KPa，均發(fā)生于壩基中央覆蓋層與基巖接觸帶附近。這主要是砂礫石壩基受上部堆填體進(jìn)一步壓縮所導(dǎo)致。說明應(yīng)力分布主要取決于壩體的自重且砂礫石壩基對壩體應(yīng)力分布會產(chǎn)生較大的影響，會引起壩基最大與最小主應(yīng)力的增大。

圖5 施工期末大壩與壩基垂直應(yīng)力等值線圖(單位：KPa)

4 結(jié)語

本文通過對擬修建于厚層砂礫石覆蓋層上的面板堆石壩壩體與壩基的二維非線性有限元分析，得出以下認(rèn)識與結(jié)論：

(1) 在大壩填筑初期，大壩沉降增加量緩慢上升；隨著壩體填筑體高度的增加，大壩沉降增加量快速升高；在填筑期末，沉降增加量逐漸減小最終趨近于零。大壩沉降量與填筑高度成一元二次方程遞增關(guān)系。

(2) 大壩最大沉降值為-0.368 m，約占壩高的0.55%，位于壩體中部略偏上的位置。砂礫石覆蓋層最大沉降值約為-0.16 m，占覆蓋層厚度的1.45%。符合沉降變形規(guī)律，計(jì)算結(jié)果較為合理。

(3) 砂礫石覆蓋層對面板堆石壩的沉降變形會產(chǎn)生較為顯著的影響，但大壩沉降變形仍然在合理的范圍內(nèi)，建在其上的面板堆石壩仍然可以正常運(yùn)行。

[1]酈能惠,楊澤艷.中國混凝土面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)步[J].巖土工程學(xué)報(bào).2012.34(8):1361-1368.

[2]剛得志.砂卵石地基上引水式水電站廠房的不均勻沉降問題分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2015.18:212.

[3]姜蘇陽,郭其峰,李遠(yuǎn)程，等.深覆蓋層面板壩設(shè)計(jì)及壩基處理措施[M].北京:中國水利水電出版社.2011:12-13.

[4]婁劍永.高堆石壩蠕變參數(shù)識別方法研究及其應(yīng)用[D].南京:河海大學(xué).2002:16.

[5]秦朋,彭成軍,李戰(zhàn)備，等.猴子巖混凝土面板堆石壩施工期沉降變形分析[J].人民長江.2015.46(6):153-155.

[6]酈能惠,孫大偉,李登華.300m級超高面板堆石壩變形規(guī)律的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào).2009.31(2):155-160.

[7]楊奇臻,文斌.鄧肯張E-B模型對中等高度面板壩沉降計(jì)算的適應(yīng)性分析[J].吉林水利.2011.12:5-7.

[8]雷盼,符昌勝,王鵬.深厚覆蓋層壩基處理[J].甘肅水利水電技術(shù).2016.6(52):58-61.

[9]孫大偉,鄧海峰,田斌，等.大河水電站深覆蓋層上面板堆石壩變形和應(yīng)力性狀分析[J].巖土工程學(xué)報(bào).2008.30(3):434-439.

[10]溫立峰,柴軍瑞,許增光.砂礫石地基上面板堆石壩變形和應(yīng)力性狀分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào).2016.35(9):63-77.

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1004-1184(2017)05-0177-03

2017-05-14

潘盛澤(1984-)，男，貴州天柱人，工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)與水文地質(zhì)方面工作。