張俊嵩，繆慧麗，呂高峰

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122)

丹巴閘壩覆蓋層基礎(chǔ)應(yīng)變和滲流有限元計(jì)算分析

張俊嵩1，繆慧麗1，呂高峰2

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122)

丹巴閘壩工程擬修建在深覆蓋層上，深覆蓋層基礎(chǔ)的變形和滲流穩(wěn)定對(duì)工程影響很大.設(shè)計(jì)過程中采用三維有限元建立模型，對(duì)覆蓋層基礎(chǔ)的應(yīng)力變形和滲流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算.通過計(jì)算得出：(1)設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)沉降變形在20 cm以內(nèi)，順河向位移在13 cm以內(nèi)，變形整體不大；(2)蓄水后孔隙水壓力增大使有效應(yīng)力減小，基礎(chǔ)沉降變形及大、小主應(yīng)力均有明顯減?。?3)深入基巖的防滲墻能起到很好的防滲作用，保證覆蓋層的滲流穩(wěn)定.

覆蓋層；應(yīng)力變形；滲流；有限元

1 工程概況

丹巴閘壩深覆蓋層上計(jì)劃新建一閘壩工程，該工程在橫河向總長(zhǎng)為351 m，設(shè)計(jì)閘高為43 m.該工程從左到右依次為左岸混凝土壩、沖沙閘、泄洪閘、右岸混凝土壩、魚道和右岸心墻壩.其中土石壩與右岸混凝土壩兩者的連接形式為堆石扇形體[1-2].該閘壩橫河向布置(見圖1).

圖1 閘壩橫河向建筑物布置圖

基礎(chǔ)的沉降變形是水閘設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)，為有效控制基礎(chǔ)的沉降變形，閘壩和混凝土重力壩基礎(chǔ)計(jì)劃挖除覆蓋層中的第④和⑤層，然后回填級(jí)配良好的石渣料，并在表面20 m深范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿.根據(jù)設(shè)計(jì)方案，建立三維有限元模型，計(jì)算覆蓋層基礎(chǔ)沉降變形，為工程設(shè)計(jì)提供參考.

2 計(jì)算理論

2.1 鄧肯—張E—B非線性彈性模型

覆蓋層和回填材料都運(yùn)用鄧肯—張E—B非線性彈性模型[3-6]，采用增量形式的本構(gòu)關(guān)系如下

{Δσ}=[D]{Δε}

(1)

式中，[D]是剛度矩陣，其表達(dá)式如下：

(2)

其中，切線彈性模量Et和切線體積模量Bt的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中：K—切線模量基數(shù)；pa—單位大氣壓力；

n—切線模量指數(shù)；Rf—破壞比；

S—應(yīng)力水平；Kb—體積模量數(shù)；

m—無(wú)量綱系數(shù).

2.2 滲流場(chǎng)基本方程和定解條件

非穩(wěn)定滲流場(chǎng)和穩(wěn)定滲流場(chǎng)的表達(dá)式[7-9]見式(5)和式(6)所示：

(5)

(6)

式中：kx，ky，kz—滲透系數(shù)在三個(gè)滲透方向上的主滲透系數(shù)；

ρ—水的密度;g—重力加速度；

Γ，Γw—土體和水的體積壓縮模量；

n—孔隙率；Ss—貯水率.

為求解上述方程，需要確定定解條件，其中包括初始條件和邊界條件.初始條件是指時(shí)間t=0時(shí)的滲流場(chǎng)的分布：h(x,y,z,t|t=0=f0(x,y,z,0).邊界條件可分成三類：第一類邊界條件是定水頭邊界條件；第二類邊界條件是給定流量邊界；第三類邊界條件是混合邊界條件.

3 計(jì)算模型和參數(shù)

為有效計(jì)算覆蓋層基本和防滲墻的變形，建模范圍在順河向包括壩軸線上游240 m到壩軸線下游380 m，全長(zhǎng)620 m；在豎直方向，從山頂2 020 m高程到基巖1 760 m高程，高差260 m；在壩軸向包含壩體的351 m和兩岸山體的49 m，壩軸向長(zhǎng)400 m.模型共劃分為93 659個(gè)單元，99 630個(gè)節(jié)點(diǎn).該工程三維有限元網(wǎng)格(見圖2).

圖2 閘壩工程三維有限元網(wǎng)格

為更準(zhǔn)確地計(jì)算覆蓋層基礎(chǔ)的沉降，混凝土材料等線彈性材料與覆蓋層非線性彈性材料之間設(shè)置Goodman無(wú)厚度接觸面單元，接縫位置設(shè)置縫單元，在水閘剖面Goodman接觸面單元和縫單元典型設(shè)置(見圖3).

覆蓋層和回填材料都使用鄧肯—張E—B模型，覆蓋層(①～⑤層，其中①為最底層)材料參數(shù)(見表1).混凝土材料的彈性模量都取為28 GPa，泊松比為0.167，基巖(含兩岸山體)的彈性模量取16 GPa，泊松比為0.2，混凝土材料何基巖的滲透系數(shù)均取10-7cm/s.接觸面單元參數(shù)取常用的大渡河上瀑布溝心墻堆石壩中的接觸面參數(shù)，取為：K1=2 500；n=0.66，Rf=0.74，δ=35°.

圖3 丹巴閘壩工程典型斷面網(wǎng)格圖

壩料種類滲透系數(shù)/(cm/s)容重ρ/(g/cm3)初試摩擦角φ0/°摩擦角參數(shù)Δφ/°切線模量基數(shù)K切線模量指數(shù)n破壞比Rf體積模量Kb模量指數(shù)m第①層5×10-32.142510000.250.755000.27第②層10-41.662432300.450.861300.28第③層10-22.2551.07.4931.60.360.65354.20.37第④層10-41.5039.64.1116.00.570.6234.50.56第⑤層10-12.1445.14.5529.00.420.67219.90.38崩坡積體10-22.1245.75.8303.10.420.56105.10.48回填區(qū)5×10-32.3361.514.22052.30.260.551311.10.15

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基礎(chǔ)變形

圖4、圖5分別是竣工期和蓄水期閘右0+75剖面覆蓋層基礎(chǔ)變形、應(yīng)力等值線圖.表2、表3分別為竣工期和蓄水期閘右0+75剖面覆蓋層基礎(chǔ)的最大變形和應(yīng)力值.由圖表可知：

(1)竣工期地基變形以沉降為主，水平位移較小，其中最大沉降為19.87 cm，發(fā)生在閘底板下面，主要受到閘自身重力的影響.竣工期最大順河向位移分別為3.89 cm(上游向)和1.63 cm(下游向)，基本以閘室位置為中心向上下游分布.蓄水后地基順河向位移增加明顯，最大值為12.97 cm(下游向)，由于孔隙水壓力增大使有效應(yīng)力減小而導(dǎo)致地基產(chǎn)生回彈變形，沉降有所減小，其中最大沉降為16.71 cm.

(2)地基底部應(yīng)力大于上部應(yīng)力，下游閘室以下地基應(yīng)力大于上游地基應(yīng)力.竣工期地基底部大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值分別為2.4 MPa和1.32 MPa，蓄水后地基底部大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值分別為2.30 MPa和1.24 MPa，大、小主應(yīng)力均有所減小，主要因孔隙水壓力增大使有效應(yīng)力減小.

圖4 閘右0+75剖面覆蓋層基礎(chǔ)變形等值線圖

圖5 閘右0+75剖面覆蓋層基礎(chǔ)蓄水期應(yīng)力等值線圖

工況順河向水平位移/cm上游下游沉降/cm竣工期-3.891.63-19.87蓄水期012.97-16.71

表3 閘右0+75剖面覆蓋層基礎(chǔ)應(yīng)力最大值

圖6、圖7分別是竣工期和蓄水期閘下0+14剖面覆蓋層基礎(chǔ)變形、應(yīng)力等值線圖.表4、表5為竣工期和蓄水期閘下0+14剖面覆蓋層基礎(chǔ)的最大變形和應(yīng)力值.由圖表可知：

(1)竣工期地基變形以沉降為主，水平位移較小，其中最大沉降為15.95 cm，發(fā)生在重力壩段；順河向位移基本朝上游，最大值為3.50 cm(上游側(cè))；由于左岸地基條件較差，壩軸向位移基本整體朝左岸，最大值為1.84 cm.相對(duì)于沉降，壩軸向和順河向位移可不作考慮.蓄水后沉降和順河向位移增大，其中由于水壓力作用在防滲墻上，水平向位移增大顯著，最大值為10.41 cm(下游向)；由于蓄水后孔隙水壓力的增大，覆蓋層土體及基巖出現(xiàn)了略微回彈，沉降值略有減小，最大沉降值為14.45 cm，也是出現(xiàn)在重力壩段以下.

(2)竣工期大、小主應(yīng)力極值分別為2.8 MPa和1.5 MPa，其分布規(guī)律基本沿深度方向依次增大.蓄水后地基底部大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值分別為2.70 MPa和1.42 MPa，大、小主應(yīng)力均有所減小.

圖6 閘下0+14剖面覆蓋層基礎(chǔ)竣工期和蓄水期變形等值線圖

圖7 閘下0+14剖面覆蓋層基礎(chǔ)蓄水期應(yīng)力等值線圖

工況順河向水平位移/cm上游下游沉降/cm竣工期-3.500.30-15.95蓄水期0.1010.41-14.45

表5 閘下0+14剖面覆蓋層基礎(chǔ)應(yīng)力最大值

4.2 基礎(chǔ)滲流

圖8是閘右0+75剖面覆蓋層基礎(chǔ)滲壓水位等值線圖.由圖可知，滲壓水頭等值線都集中在防滲上，深入基巖的防滲墻能起到良好的防滲效果.覆蓋層內(nèi)的滲透坡降均小于運(yùn)行滲透坡降，滿足滲流穩(wěn)定的要求.

圖8 閘右0+75剖面覆蓋層基礎(chǔ)滲壓水位等值線圖

5 結(jié) 論

本文以丹巴閘壩覆蓋層上的閘壩工程為例，根據(jù)設(shè)計(jì)方案建立三維有限元網(wǎng)格模型，分別計(jì)算其應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)，通過計(jì)算得出：(1)根據(jù)設(shè)計(jì)方案，覆蓋層基礎(chǔ)沉降變形整體不大，典型斷面沉降位移在20 cm以內(nèi)，順河向位移在13 cm以內(nèi)；(2)蓄水后，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，基礎(chǔ)沉降變形及大、小主應(yīng)力均有明顯減小；(3)深入基巖的防滲墻能起到很好的防滲作用，覆蓋層內(nèi)的滲透坡降均小于運(yùn)行滲透坡降，滿足滲流穩(wěn)定的要求.

[1] 呂高峰，朱錦杰.覆蓋層開挖深度對(duì)閘底板沉降的影響分析[J].大壩與安全，2014(1)：37-40.

[2] 呂高峰，劉鍶洋，朱錦杰.丹巴水電站覆蓋層處理對(duì)閘底板沉降的影響[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，26(4):24-27.

[3] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].2版.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

[4] 王復(fù)來(lái).鄧肯模型的改進(jìn)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1979(1):80-86.

[5] 孫大偉.深覆蓋層上高面板壩應(yīng)力變形性狀研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2006.

[6] 呂高峰，金遠(yuǎn)征，朱錦杰.不同施工順序?qū)ι罡采w層壩基折線型防滲墻應(yīng)力變形的影響[J].水電能源科學(xué)，2014，32(9):86-89.

[7] 呂高峰，朱錦杰，王玉潔.覆蓋層內(nèi)防滲墻應(yīng)力變形影響因素敏感性分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，28(1):46-51.

[8] 殷宗澤，李 宏.三峽二期圍堰混凝土防滲墻的受力分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1987，15(1):51-57.

[9] 酈能惠，孫大偉，米占寬.深厚覆蓋層上面板堆石壩的圓弧形防滲墻[J].巖土力學(xué)，2006，27(10):1653-1657.

FiniteElementCalculationandAnalysisofStressDeformationandSeepageofOverburdeninDanbaDam

ZHANG Jun-song1, MIAO Hui-li1, LYU Gao-feng2

(1.Jangsu Water Conservancy Administrative Office, Yangzhou 225200, China; 2.Large DamSafety Supervision Center, National Energy Administration，Hangzhou 311122, China)

The deformation and seepage stability of deep overburden foundation have great influence on a gate dam. Three dimensional finite element model is used in the design process to calculate the stress and deformation of the overburden foundation and the seepage field. The calculation result shows: (1) foundation settlement is less than 20 cm as design plan, and displacement along river within 13 cm, therefore, the deformation is small; (2) after the impoundment, the increasing of pore water pressure decreased the effective stress, foundation settlement as well as major and minor principal stress were significantly reduced; (3) cutoff wall has good anti-seepage effect which ensures the seepage stability of overburden.

overburden; stress and deformation; seepage; FEM

2016-08-17

張俊嵩(1985-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，工程師，主要從事水閘工程技術(shù)管理、建筑物設(shè)施觀測(cè)和工程維修養(yǎng)護(hù)工作.

TV698

A

1008-536X(2016)12-0029-05