田林鋼 張一鳴 李勇昌 侯勝超 張 揚(yáng) 黃云超

（1．華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2．黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450011）

0 引言

在混凝土面板堆石壩施工過程中，上游坡面擠壓邊墻技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，替代了傳統(tǒng)面板堆石壩上游坡面施工過程中的墊層料超填、削除多余坡面、修整坡面、坡面碾壓和坡面防護(hù)等工序，加快了施工速度，提高施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量[1]。

隨著擠壓邊墻技術(shù)的發(fā)展，羅先啟等人[2]結(jié)合水布埡面板堆石壩工程實(shí)例分析研究擠壓邊墻技術(shù)對(duì)面板的應(yīng)力-應(yīng)變影響；周偉等人[3]研究了擠壓邊墻對(duì)高面板堆石壩面板應(yīng)力影響及裂縫產(chǎn)生原因；彭兆軒等人[4]分別從壓力荷載情況擠壓邊墻的破碎機(jī)理進(jìn)行研究，證明了擠壓邊墻破壞逐漸增大的連續(xù)性。關(guān)于擠壓邊墻對(duì)面板應(yīng)力應(yīng)變的研究已取得一批具有重要理論價(jià)值和實(shí)際意義的成果，但擠壓邊墻對(duì)填筑料所造成的應(yīng)力應(yīng)變影響研究甚少。鑒于擠壓邊墻材料的強(qiáng)度低及施工環(huán)境的復(fù)雜性，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)擠壓邊墻開裂、破碎或脫落的情況，因此擠壓邊墻破壞對(duì)填筑料的位移及應(yīng)力分析研究，對(duì)保障大壩施工安全，保證面板施工質(zhì)量很有必要。

1 工程概況及存在問題

新疆某水庫工程位于新疆昌吉自治州白楊河流域，總庫容2130萬m3，調(diào)節(jié)庫容1890萬m3。上水庫壩體為混凝土面板堆石壩，最大壩高60 m，壩頂寬度10 m，壩頂長度210m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.5，從上游到下游依次分為4個(gè)主要填筑區(qū)，分別為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)。

面板堆石壩填筑采用擠壓邊墻技術(shù)，由于新疆地區(qū)天氣寒冷，晝夜溫差大，而擠壓邊墻所采用的低強(qiáng)度混凝土，使擠壓邊墻難以達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度，混凝土中的水易結(jié)冰，進(jìn)而造成混凝土產(chǎn)生凍脹應(yīng)力和溫度應(yīng)力，導(dǎo)致擠壓邊墻出現(xiàn)裂縫破壞、脫落及低強(qiáng)的現(xiàn)象，使其失去原有功能，進(jìn)而可能影響堆石壩的填筑質(zhì)量及后期面板的施工質(zhì)量。

2 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

2.1 堆石料本構(gòu)模型

目前，國內(nèi)外混凝土面板堆石壩的有限元分析中，堆石料的本構(gòu)模型主要采用2種類型：非線性彈性模型和彈塑性模型。因?yàn)槎咽系念w粒體結(jié)構(gòu)變形非完全為彈性特性，而是具有典型的彈塑性特性，所以對(duì)面板堆石壩的模型構(gòu)建，可以選用鄧肯提出的增量彈性模型擬合黏性土和砂性土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。鄧肯E?B模型計(jì)算所得的壩體水平位移及沉降量較堆石壩實(shí)際值更大，作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)是偏安全的，因此更具應(yīng)用價(jià)值[5]。

鄧肯E?B模型的切線彈性模型的表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：（σ1-σ3）為主應(yīng)力差；K、n為無因次基數(shù)和無因次指數(shù)，是決定土質(zhì)的試驗(yàn)常數(shù)；Pa為大氣壓強(qiáng)；c為土體的黏聚力；φ為土體的內(nèi)摩擦角；R?為破壞比。

式中：B為體積模量；E為切線模量；ν為泊松比。

式中：Pα為大氣壓力，MPa；Kb為體積模量；m為體積模量無因次指數(shù)。

GeoStudio軟件SIGMA/W基于小應(yīng)變理論的計(jì)算原理如公式（4）所示。

式中：[K]為系統(tǒng)剛度或特殊矩陣；{Δd}為增量位移；{ΔF}為增量力。

2.2 面板堆石壩施工過程模擬

根據(jù)鄧肯模型，不同主應(yīng)力條件下對(duì)應(yīng)不同的彈性模量，應(yīng)力計(jì)算前需要確定加載前初始應(yīng)力狀態(tài)，且不同高層填筑料的加載有不同的影響。相比于實(shí)際施工中每層填筑料填筑完成后頂面形成的“自由面”，有限元分析中填筑層的頂部存在應(yīng)力和應(yīng)變，因此必須考慮在每層填筑結(jié)束時(shí)對(duì)該填筑層的頂部應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行調(diào)整。

面板堆石壩填筑過程中，通常采用薄層分層填筑后碾壓。該工程通過填筑碾壓試驗(yàn)，主堆石區(qū)和次堆石區(qū)每層填筑厚度控制在40 cm。在仿真模擬中，模仿實(shí)際施工過程，首先加載單層擠壓邊墻作為邊界條件，然后加載40 cm填壩料，壩體填筑分150次逐層加載。為簡化計(jì)算，軟件加載5層為一步，分30步進(jìn)行逐層加載至60 m壩頂高程，每層加載的填壩料為碾壓后的密度及彈性模量，計(jì)算荷載包括擠壓邊墻及填筑料自重，上下游按無水考慮。仿真模擬采用分級(jí)逐步加載的方式，盡可能地還原真實(shí)的施工場(chǎng)景。

2.3 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)實(shí)際工程概況建立面板堆石壩有限元模型，模型X軸為順河向，指向下游為正，從左往右依次為趾板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)以及次堆石區(qū)。Y軸為高程，向上為正，從下向上依次為覆蓋層、主堆石區(qū)、過渡區(qū)、墊層區(qū)。堆石壩各分區(qū)堆石料鄧肯E?Β模型參數(shù)見表1，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 堆石體Duncan-chang E-B模型參數(shù)

表2 混凝土結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

壩體最大壩高60m，壩頂寬度10m，墊層料及過渡料水平長度為3m，擠壓邊墻高度為0.4m，擠壓邊墻迎水面坡度為1∶1.4，下游坡度為8∶1。

模型選擇最大壩高剖面進(jìn)行計(jì)算，剖面劃分網(wǎng)格總數(shù)為44568個(gè)，采用四邊形網(wǎng)格和少量多邊形網(wǎng)格。壩體有限元計(jì)算的邊界條件為限制覆蓋層底面XY方向的約束以及覆蓋層兩側(cè)X軸方向上的約束，壩料填筑每層填筑料之間定義為接觸面，此后每層填筑料逐次加載至該層設(shè)計(jì)高程。

2.4 計(jì)算工況分析

因擠壓邊墻破壞包括脹裂、擠壓破壞以及低強(qiáng)破壞等情況，比較復(fù)雜，擠壓邊墻在完全破碎的情況下，會(huì)成為墊層料的一部分，失去邊墻混凝土原有的彈性模量，可以假定擠壓邊墻在未完全破壞的情況下，剩余一半的彈性模量，并分別通過以下的工況進(jìn)行計(jì)算：1）工況1。擠壓邊墻未發(fā)生破壞，壩體順利完成填筑。2）工況2。大壩填筑到第10層（4m高程）時(shí)，趾板上方第1～5層擠壓邊墻破壞，并在已破壞的情況下，壩體繼續(xù)填筑到壩頂高程。

工況1作為工況2的對(duì)比，工況2根據(jù)最不利情況計(jì)算原則，選擇1～5層擠壓邊墻破壞進(jìn)行模擬，與上層的擠壓邊墻相比，底層邊墻承受更大的壓應(yīng)力以及水平方向的推力，更容易遭到破壞。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 壩體整體變形計(jì)算模擬成果與分析

大壩填筑完成后整體模擬計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 壩體應(yīng)力及位移計(jì)算成果

大壩填筑完成后，根據(jù)《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)規(guī)范DLT 5297—2013》，壩體沉降會(huì)產(chǎn)生上游坡面的盈虧現(xiàn)象，擠壓邊墻施工放線，可以按照設(shè)計(jì)提供的壩體某一高程可能發(fā)生的變形量修正坡面盈虧值，設(shè)計(jì)未提供盈虧修正的可參照同類型工程予以經(jīng)驗(yàn)修正。在面板施工前，例如公伯峽壩體上游坡面監(jiān)測(cè)產(chǎn)生盈虧為-30 mm～+50 mm；積石峽電站上游坡面監(jiān)測(cè)結(jié)果盈虧為-40 mm～+40 mm。對(duì)比該項(xiàng)目大壩上游面在擠壓邊墻未破壞的情況最大盈虧為46 mm，在擠壓邊墻破壞的情況下上游面最大盈虧為46.1 mm，可知擠壓邊墻破壞對(duì)壩體上游面盈虧影響不明顯；邊墻破壞對(duì)壩體最大沉降量及壩體內(nèi)部最大總應(yīng)力影響不明顯。

3.2 擠壓邊墻破壞處變形計(jì)算模擬結(jié)果與分析

采用鄧肯E?Β模型對(duì)面板堆石壩施工期壩體填筑進(jìn)行有限元分析計(jì)算，計(jì)算整理所得成果如圖1～圖3所示。擠壓邊墻破壞層附近墊層料位移及應(yīng)力計(jì)算成果見表4。

圖1 壩體填筑完成水平方向位移圖

由圖1和圖2可以看出，擠壓邊墻破壞處局部墊層料向上游面水平位移增加，沉降量增大，已破損擠壓邊墻底部墊層料沉降量減少；將工況1與工況2進(jìn)行對(duì)比，擠壓邊墻破壞對(duì)面板堆石壩填筑料整體水平位移及壩體沉降量影響不大。

圖2 壩體填筑完成后壩體沉降圖

由圖3可以看出，擠壓邊墻破壞處，墊層料受力增大且應(yīng)力分布不均勻；將工況1與工況2進(jìn)行對(duì)比，擠壓邊墻破壞對(duì)面板堆石壩填筑料總應(yīng)力影響不大。

圖3 壩體填筑完成后最大總應(yīng)力圖

由表4可知，面板堆石壩施工期壩體填筑期間，在擠壓邊墻破壞的情況下，破壞部分?jǐn)D壓邊墻附近的墊層料有向上游移動(dòng)的趨勢(shì)，并且局部墊層料及下層墊層料總應(yīng)力變大，邊墻破壞部位局部墊層料的總應(yīng)力是未破壞時(shí)應(yīng)力的2倍，但仍低于卸荷模量1860 kPa；擠壓邊墻破壞層墊層料向上游面最大位移為1.602 cm，低于上游面最大位移4.6 cm，且在規(guī)范規(guī)定的上游坡面盈虧范圍內(nèi)；破壞層的沉降量變化不明顯。而擠壓邊墻破壞層上層墊層料的最大總應(yīng)力變小，且隨著壩體填筑高度的升高有持續(xù)變小的趨勢(shì)。

表4 擠壓邊墻破壞層附近墊層料位移及應(yīng)力計(jì)算成果

由局部墊層料位移及應(yīng)力變化得出，擠壓邊墻與墊層料之間的相互作用比較復(fù)雜，擠壓邊墻的彈性模量大于墊層料，在擠壓邊墻完整的情況下，相當(dāng)于一個(gè)柔性的薄層結(jié)構(gòu)鋪設(shè)于壩體的上游面，對(duì)上游坡面產(chǎn)生的壓力有利于上游坡面的穩(wěn)定。擠壓邊墻與墊層料之間的相互作用比較復(fù)雜，當(dāng)某個(gè)部位的擠壓邊墻破壞后，對(duì)邊墻整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布造成影響，導(dǎo)致上游坡面墊層料應(yīng)力分布不均勻。其次，擠壓邊墻作為連續(xù)接觸的剛性結(jié)構(gòu)，在壩體上游面填筑料出現(xiàn)沉降的情況下，擠壓邊墻之間呈現(xiàn)出拱的支撐效應(yīng)，因此未破壞的擠壓邊墻踵端與墊層料接觸的地方出現(xiàn)應(yīng)力減少的情況。

對(duì)已破壞擠壓邊墻上、下層邊墻附近墊層料進(jìn)行應(yīng)力分析可知，擠壓邊墻破壞后，上層邊墻附近的墊層料總應(yīng)力減少，下層墊層料總應(yīng)力變大，初步分析為擠壓邊墻破壞后，邊墻破壞層附近的填筑料橫向位移增大，縱向位移減少，沉降量減少，水平位移量增大。上層邊墻附近的填筑料有往破壞邊墻移動(dòng)的趨勢(shì)。因此擠壓邊墻破壞后，對(duì)上層邊墻附近的填筑料不利，但對(duì)已破壞邊墻附近的墊層料及下層墊層料具有壓實(shí)作用，因此破壞后可能會(huì)造成已破壞邊墻上層附近墊層料應(yīng)力減小，沉降量變大，導(dǎo)致已破壞邊墻上層邊墻附近墊層料不密實(shí)，甚至造成邊墻后脫空現(xiàn)象。

4 擠壓邊墻修復(fù)技術(shù)

低面板堆石壩施工期擠壓邊墻破損對(duì)填筑質(zhì)量的影響不大，但是會(huì)導(dǎo)致上游坡面墊層料的位移及應(yīng)力分布不均勻，進(jìn)而影響混凝土面板施工的質(zhì)量及后期壩體蓄水后的滲流穩(wěn)定行。因此一旦出現(xiàn)擠壓邊墻破壞的現(xiàn)象，需要及時(shí)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，如果上游面出現(xiàn)較大的盈虧，就要立刻進(jìn)行邊墻拆除、坡面碾壓和邊墻修補(bǔ)。

首先要對(duì)破碎的擠壓邊墻進(jìn)行拆除，應(yīng)采用人工鑿除或小型機(jī)械等措施，鑿除范圍包括擠壓邊墻破損部位以及上層擠壓邊墻；邊墻拆除后采用小型坡面碾壓設(shè)備，對(duì)上游坡面墊層料進(jìn)行二次碾壓，通過碾壓后的質(zhì)量推斷是否需要繼續(xù)拆除上層邊墻進(jìn)行修復(fù)；確保上游坡面墊層料應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求后，采用相同型號(hào)的預(yù)制混凝土擠壓邊墻放入拆除的部位，與原擠壓邊墻接觸面鑿毛處理，采用相同型號(hào)的水泥砂漿固結(jié)；施工過程要確保修復(fù)后的擠壓邊墻水平方向、坡面方向與壩面整體一致；最后進(jìn)行擠壓邊墻后的灌漿處理，須采用粒徑較大的豆礫石混凝土進(jìn)行灌漿，灌漿壓力不應(yīng)大于1 kPa。

5 結(jié)論

綜上所述，得出以下3個(gè)結(jié)論：1）對(duì)低面板堆石壩，擠壓邊墻局部破壞對(duì)壩體填筑質(zhì)量影響不大，對(duì)最終壩體沉降量、最大應(yīng)力及上、下游坡面最大位移影響不大。2）擠壓邊墻作為一種柔性的薄層結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)在保持穩(wěn)定的情況下，有利于上游坡面墊層料的位移及應(yīng)力分布均勻；如果局部出現(xiàn)損壞，整體結(jié)構(gòu)受到影響，會(huì)導(dǎo)致上游坡面墊層料位移及應(yīng)力分布不均勻，影響后期混凝土面板的施工質(zhì)量。3）如果擠壓邊墻破碎部位出現(xiàn)較大位移要及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，同時(shí)需要對(duì)破損部位周邊的填筑料進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)不合格的填筑料進(jìn)行二次碾壓。