呂高峰，劉鍶洋，朱錦杰

(1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心 ，浙江 杭州 310014；2.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 ，浙江 杭州 310002)

0 引 言

深厚覆蓋層主要指堆積在河流河谷之中，其厚度一般都在30 m以上的第四紀(jì)松散沉積物.我國的大部分河流都有覆蓋層沉積，尤其是西南地區(qū)的金沙江中下游、大渡河干流等河流，覆蓋層厚度一都在幾十米，最深達(dá)到數(shù)百米，如南椏河上部分區(qū)域的覆蓋層最大厚度甚至超過420 m.深厚覆蓋層具有分布規(guī)律差，級配變化大、結(jié)構(gòu)特別松散、滲透性強(qiáng)、巖性不均勻等特點(diǎn).在覆蓋層上建壩，壩體沉降是重點(diǎn)關(guān)注的問題之一.我國水閘設(shè)計(jì)規(guī)范明確要求：“天然土質(zhì)地基上水閘地基最大沉降量不宜超過15 cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm”.[1-3]丹巴水電站為減小壩體沉降和相鄰部位的不均勻沉降，對覆蓋層的處理初擬了幾種方案.本文運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)測得的材料參數(shù)，對初擬的幾種方案進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析，為覆蓋層處理方案的選擇提供意見.

1 計(jì)算模型

該閘壩修建在130余米深的覆蓋層上，大壩全長351 m，最大壩高為43 m.攔河壩建筑物從左岸到右岸依次為左岸混凝土壩、沖砂閘、泄洪閘、右岸混凝土壩和土石壩組成.有限元建模選取的區(qū)域在順河向從壩軸線上游240 m到壩軸線下游380 m，總長為620 m，在高程方向由山體的頂高程2 020 m高程處到基巖1 760 m高程處，總高度為260 m，在壩軸向包括壩體的351 m和兩岸壩肩山體的49 m，總長400 m，總共劃分單元93 659個(gè)，節(jié)點(diǎn)99 630個(gè)，有限元網(wǎng)格(見圖1).

圖1 有限元網(wǎng)格圖

閘壩基礎(chǔ)覆蓋層厚度在80～130 m之間，共分為五層，靠近兩岸存在一定區(qū)域的崩坡積體.為減小建壩后覆蓋層的沉降和閘底板的不均勻沉降，閘基及兩岸混凝土重力式擋水壩基礎(chǔ)進(jìn)行開挖回填處理.在材料性質(zhì)差異較大的材料之間(閘底板與覆蓋層之間)增設(shè)Goodman無厚度接觸面單元，閘底板之間以及閘底板與上下游連接板之間均設(shè)置了縫單元[4-6].倒梯形開挖回填區(qū)、接觸面和縫單元的設(shè)置情況(見圖2).

2 計(jì)算參數(shù)與方案

覆蓋層材料采用鄧肯-張E-B非線性模型，原狀覆蓋層(①～⑤層，其中①為最底層)參數(shù)(見表1).閘室、閘底板、防滲墻和基巖等運(yùn)用線彈性模型，混凝土的彈性模量均取28 GPa，泊松比是0.167，取基巖彈性模量為16 GPa，泊松比是0.2.接觸面單元參數(shù)選取根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，以大渡河上瀑布溝心墻堆石壩中的接觸面參數(shù)較為經(jīng)典，取為：K1=2 500；n=0.66，Rf=0.74，δ=35°.

圖2 有限元模型典型網(wǎng)格截面圖

表1 覆蓋層計(jì)算參數(shù)

覆蓋層處理考慮了下列4種方案：

方案1 回填級配料

對倒梯形區(qū)域進(jìn)行開挖，回填級配料并進(jìn)行分層碾壓.

方案2 回填級配料并固結(jié)灌漿

對倒梯形區(qū)域進(jìn)行開挖，回填級配料并進(jìn)行分層碾壓，將整個(gè)回填級配料區(qū)域進(jìn)行固結(jié)灌漿.

方案1的回填級配料和方案2回填級配料并固結(jié)灌漿后的材料參數(shù)(見表2).

表2 三軸剪切試驗(yàn)鄧肯-張模型(E-B)參數(shù)表

方案3 回填膠凝砂卵石料

對倒梯形區(qū)域進(jìn)行開挖，回填膠凝砂卵石料.膠凝砂卵石料計(jì)算使用線彈性模型，材料參數(shù)為彈模 1 GPa、泊松比為0.24.

方案4 回填膠凝砂卵石料并對原基礎(chǔ)進(jìn)行淺層固結(jié)灌漿

對倒梯形區(qū)域進(jìn)行開挖，回填膠凝砂卵石料，回填膠凝砂卵石料基礎(chǔ)(原河床)進(jìn)行淺層10 m固結(jié)灌漿處理.膠凝砂卵石料參數(shù)和方案三相同，原河床進(jìn)行固結(jié)灌漿的區(qū)域示意圖(見圖2)，材料參數(shù)(見表3).

表3 原河床固結(jié)灌漿后鄧肯-張模型(E-B)參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果

圖3是方案三閘底板蓄水期的沉降變形擴(kuò)大500倍后的形狀.從圖中可以看出閘室變形后有一定的彎曲，各壩段閘底板橫縫和縱縫之間存在不均勻沉降，尤其在沖砂閘與泄洪閘之間的不均勻沉降較大.

圖3 方案三蓄水期閘底板沉降變形擴(kuò)大500倍后形狀

以方案三為分析對象，繪制閘底板的沉降等值線圖，見圖4.由圖可知：閘底板右岸沉降大于左岸，下游沉降大于上游；左岸上游側(cè)沉降最小，右岸下游沉降最大，其中最小值為4.3 cm，最大值為14.6 cm；竣工期與蓄水期閘底板沉降等值線分布規(guī)律一致.閘底板沉降等值線圖呈現(xiàn)以上規(guī)律，主要是因?yàn)樵摴こ痰拈l壩靠近左岸，而越靠近左側(cè)，覆蓋層越淺，閘壩的右側(cè)剛好處于河谷中間，該處覆蓋層最深，閘底板上游側(cè)上部混凝土少，下游側(cè)上部混凝土多，從而呈現(xiàn)上述分布規(guī)律.方案1、方案2和方案4閘底板沉降等值線分布規(guī)律與方案3類似，僅數(shù)值大小存在一定的區(qū)別.

表4為4種方案閘底板沉降統(tǒng)計(jì)表，從圖中可以看出，方案4的沉降值最小，最大值為12.90 cm；方案1的沉降值最大，達(dá)到了19.3 cm.各個(gè)方案中，方案3與方案4滿足水閘設(shè)計(jì)規(guī)范對最大沉降值的要求，而方案1和方案2不滿足水閘設(shè)計(jì)規(guī)范對最大沉降值的要求.回填凝砂卵石料的效果優(yōu)于級配料.對回填級配料進(jìn)行整體固結(jié)灌漿的對覆蓋層沉降的減小較好，能使閘底板最大沉降在竣工期和蓄水期分別減小2.1 cm，但是不能使閘底板最大沉降滿足規(guī)范要求的15 cm；對回填凝砂卵石料下的原覆蓋層進(jìn)行固結(jié)灌漿，使閘底板沉降值在竣工期和蓄水期分別減小0.5 cm和0.4 cm，效果一般，且不進(jìn)行固結(jié)灌漿也已經(jīng)滿足規(guī)范要求，沒必要再進(jìn)行固結(jié)灌漿.

圖4 方案三閘壩底板沉降(cm)

表4 閘底板沉降變形統(tǒng)計(jì) 單位：cm

以方案3為例，統(tǒng)計(jì)閘底板七條縫之間的不均勻沉降值沿順河向的分布情況，見圖5，數(shù)值為“+”表示縫左側(cè)閘底板沉降小于縫右側(cè)閘底板，數(shù)值為“-”說明縫左側(cè)閘底板沉降大于縫右側(cè)閘底板(縫的序號為圖4中所列數(shù)值).各種方案竣工期、蓄水期的不均勻沉降最大值都在縫1，也就是沖砂閘與泄洪閘之間.主要是因?yàn)闆_砂閘與泄洪閘之間有2.5 m的高程差，兩者之間相對較為獨(dú)立，沖砂閘底板高程較泄洪閘低，而閘頂高程一致，沖砂閘底板受到的重力明顯大于泄洪閘.蓄水后，閘底板的不均勻沉降值沿順河向的分布規(guī)律沒有發(fā)生明顯變化，但閘底板的不均勻沉降值較竣工期明顯增大，主要因閘底板表面受到了豎直向的水壓力.

圖5 方案三閘室之間底板相對沉降(cm)

對閘底板不均勻沉降的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果(見表5)，各個(gè)方案蓄水期的最大沉降值都大于竣工期，主要受蓄水影響.每種方案竣工期和蓄水期的最大不均勻沉降都出現(xiàn)在縫1，該縫位于沖砂閘與泄洪閘之間.從不均勻沉降最大值數(shù)據(jù)上看，各個(gè)方案的最大不均勻沉降值為2.10 cm，滿足水閘設(shè)計(jì)規(guī)范.各個(gè)方案的最大不均勻沉降值從大到小依次為方案1、方案2、方案3和方案4，方案4變化規(guī)律與最大沉降值的變化規(guī)律一致，最大沉降值基數(shù)大，不均勻沉降最大值也大.

表5 閘室之間底板相對沉降統(tǒng)計(jì)最大值 單位:cm

4 結(jié) 語

本文以丹巴水電站為例，初擬幾種不同的覆蓋層處理方案，建立三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析.以此得出如下結(jié)論：

(1)不得在初擬的幾種處理方案條件下，閘壩的閘底板的整體變形規(guī)律基本一致，僅量值上游一定區(qū)別；

(2)回填凝砂卵石料的效果優(yōu)于級配料；

(3)對回填級配料進(jìn)行整體固結(jié)灌漿的對覆蓋層沉降的減小較好但是不能使閘底板最大沉降滿足規(guī)范要求的15 cm；對回填凝砂卵石料下的原覆蓋層進(jìn)行固結(jié)灌漿，效果一般，且不進(jìn)行固結(jié)灌漿也已經(jīng)滿足規(guī)范要求，沒必要再進(jìn)行固結(jié)灌漿；

(4)4個(gè)方案的不均勻沉降都滿足規(guī)范要求，各方案不均勻沉降數(shù)值大小關(guān)系與總沉降變形一樣.

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