劉松濤　包承綱

摘 要 對(duì)1998年汛期三峽工程二期圍堰內(nèi)基坑抽水對(duì)堰體和防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，墻體變形規(guī)律正常并且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值較接近，墻體應(yīng)力和應(yīng)力水平在安全范圍之內(nèi)，墻體和堰體是穩(wěn)定、安全的。

關(guān)鍵詞 三峽工程 二期圍堰 防滲墻 應(yīng)力應(yīng)變 應(yīng)力水平 汛期

1、前言

三峽工程二期圍堰及其防滲墻應(yīng)力一應(yīng)變的研究自1985年以來，由長(zhǎng)江科學(xué)院牽頭，會(huì)同國內(nèi)土石壩工程研究中有豐富經(jīng)驗(yàn)的研究院、高校，如南京水科院、中國科學(xué)院、清華大學(xué)、河海大學(xué)、武漢水電大學(xué)、成都科技大學(xué)、中科院武漢巖土所和廣東水科院等單位，曾作過比較深入的研究論證。經(jīng)歷了初步設(shè)計(jì)、“七五”攻關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)、“八五”攻關(guān)和技術(shù)設(shè)計(jì)等階段的分析研究，歷時(shí)10年，為圍堰的技術(shù)設(shè)計(jì)提供了重要科學(xué)依據(jù)。

長(zhǎng)江于1997年11月截流以來，二期圍堰正在填筑，并要求在汛前填筑成擋水高程83.5m。同時(shí)為保證三峽工程建設(shè)的進(jìn)度，于1998年6月25日已開始進(jìn)行限制性抽水。1998年汛期圍堰施工和基坑抽水階段，發(fā)現(xiàn)上游墻變位實(shí)測(cè)值比原來計(jì)算得到的墻體變位要大。為此我們認(rèn)真研究了圍堰的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，了解圍堰的竣工斷面與設(shè)計(jì)斷面有差異，填料的分布及密度與原計(jì)算有差異，加上施工過程與原設(shè)計(jì)設(shè)定的情況也有差異，這都是造成墻體變位較大的原因。在本次計(jì)算中，根據(jù)實(shí)際竣工斷面和墻體變位實(shí)測(cè)值及施工實(shí)際情況，調(diào)整了參數(shù)及計(jì)算條件。研究表明，按此算得的變位與實(shí)測(cè)值較相近，而且墻體和堰體也是安全的。

2、分析方法和計(jì)算條件

2.1分析方法

分析方法仍采用“七五”和“八五”攻關(guān)中常用的二維非線性彈性有限元分析方法，圍堰填料的本構(gòu)模型仍采用國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的Duncan模型，并根據(jù)三峽工程圍堰填料的特性，主要采用E 模型。其公式可參見文獻(xiàn)①②②。

圍堰防滲墻與堰體之間的接觸面，仍采用無厚度的Goodmun一維接觸面單元①②。

2.2施工設(shè)計(jì)斷面

由于堰址河床水下地形沖淤變化和施工條件的改變以及各種相關(guān)因素的變化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況變更的施工設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)，與技術(shù)設(shè)計(jì)推薦的斷面相比已有較大的改變。特別是因施工水深太大，最大水深達(dá)60m，為遏制截流戧堤堤頭坍滑的規(guī)模和頻率、避免堤頭坍滑事故的發(fā)生，長(zhǎng)江委設(shè)計(jì)院特地在河床深槽段采用砂礫石水下平拋墊底至高程40m(圖1)。這一設(shè)計(jì)的優(yōu)化，不僅減少截流戰(zhàn)堤進(jìn)占拋投水深、保證截流施工安全、降低了截流龍口進(jìn)占拋投強(qiáng)度，而且在40m高程以下的填料用平拋墊底的砂礫石料代替原設(shè)計(jì)的風(fēng)化砂料對(duì)改善防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)也是有利的。

圖1 三峽工程二期上游圍堰施工設(shè)計(jì)斷面

圖2堰體水平位移等值線(m)

圖3堰體垂直位移等值線(m)

2.3竣工斷面及參數(shù)

計(jì)算中采用的填料參數(shù)是否符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，則關(guān)系到計(jì)算成果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際成果是否相符合的問題，是至關(guān)重要的。因圍堰的實(shí)際竣工斷面和填料與原施工設(shè)計(jì)斷面及填料有差異，使得原防滲墻計(jì)算的變位值比實(shí)測(cè)值小些。例如依據(jù)平拋墊底現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)資料，其高程并未達(dá)到設(shè)計(jì)的40m高程，一般在730m～V35m之間，表明水下拋填風(fēng)化砂層厚增加了5m～10m；防滲墻周圍風(fēng)化砂經(jīng)振沖加密后檢測(cè)其干密度可達(dá)1.8t/m³，振密區(qū)影響范圍為20m，影響深度為30m，而30m以下的風(fēng)化砂密度較低，約為1.72t/m³；其二，河床復(fù)蓋層料，原來是沒有試驗(yàn)資料的，參數(shù)是采用有關(guān)工程的類比參數(shù)，不一定完全符合實(shí)際；其三，以前計(jì)算時(shí)，上、下游墻均取塑性混凝土28天齡期參數(shù)。

實(shí)際上，上游墻于1998.5.5封閉，下游墻于1998.8.6封閉。二者相差3個(gè)月，故本次計(jì)算根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況上、下游墻塑性混凝土分別取90天和28天齡期參數(shù)。另外，淤砂于密度，以前計(jì)算采用試驗(yàn)建議值，本次按最不利條件考慮，取干密度為1.40t/m³?？傊敬斡?jì)算是根據(jù)實(shí)際的竣工斷面填料的分布和密度，以及墻體實(shí)測(cè)變位值和現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，調(diào)整參數(shù)和計(jì)算條件，然后再進(jìn)行分析的。

2.4研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容一方面要找出墻體變位大的原因，同時(shí)要回答墻體變位較大情況下，基坑可否繼續(xù)抽水?其對(duì)墻體的應(yīng)力變形有多大影響?對(duì)墻體和堰體的安全影響如何?因而重點(diǎn)了解上游墻封閉后汛期上游水位上升的基坑抽水階段，墻體受到不同載荷組合和作用，各種工況下墻體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)；當(dāng)下游墻封閉后，上、下游墻聯(lián)合作用在各種不同水荷載組合的作用下，兩墻的應(yīng)力和變形狀態(tài)。

計(jì)算中分級(jí)加載的步驟應(yīng)完全符合圍堰實(shí)際的施工加載過程，因不同的加載過程反映不同的應(yīng)力路徑，將影響到堰體和墻體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。本次計(jì)算基本上是按圍堰實(shí)際施工過程進(jìn)行模擬的，尤其是水荷載的施加是按堰址汛期江水位的升降和基坑抽水情況進(jìn)行模擬，兩墻間水位則是根據(jù)測(cè)壓管實(shí)測(cè)水位取值。只有這樣進(jìn)行仿真模擬，才能使計(jì)算成果更接近實(shí)際。

3、研究成果及分析

上游墻實(shí)測(cè)變位為什么比原來計(jì)算值大?研究表明，其原因是：①圍堰竣工斷面與施工設(shè)計(jì)斷面有差異，即填料的分布及密度以及參數(shù)和計(jì)算條件的差異；②上游墻在承擔(dān)水頭情況下，在下游墻部位開槽，槽孔成“臨空面”，使上游墻失去了部分支撐體；②經(jīng)歷多次洪峰襲擊，加上基坑持續(xù)抽水等不利工況的影響；④堰體上重型機(jī)械來回奔跑等，在下游墻封閉前，上游墻已產(chǎn)生較大變形。按調(diào)整的參數(shù)和計(jì)算條件得到的墻體變位與實(shí)測(cè)值相近，而且墻體和堰體也是安全的。

現(xiàn)將參數(shù)和計(jì)算條件調(diào)整后計(jì)算的成果介紹如下：

3.1堰體的位移和應(yīng)力

在正常蓄水位85m和基坑水已抽干情況下，堰體的水平位移和垂直位移等值線分別繪于圖2和圖3。堰體在水庫壓力作用下，其變形趨勢(shì)主要向下游，其變形規(guī)律是合理的。堰體累計(jì)最大水平位移和沉降分別為2.5cm和161.0cm，均發(fā)生在2/3堰高處。堰體大小主應(yīng)力。l和03的最大值分別為1.33MPa和0.53MPa，均發(fā)生在下游堰體下部靠近下游墻的部位，與一般土石壩應(yīng)力分布規(guī)律是一致的。堰體應(yīng)力水平基本上小于1.0，只是在上游墻前有一個(gè)小區(qū)域的應(yīng)力水平達(dá)到1.0。因它屬于土顆粒散體，而且位于堆石體和防滲墻之間，故它無礙堰體的穩(wěn)定性。

3.2防滲墻的位移和應(yīng)力

在計(jì)算中比較詳細(xì)地模擬了上游水位在汛期的升、降過程和基坑抽水過程。例如，上游水位由▽69m上升至▽73m～▽76m，后又降至73m，最后又按設(shè)計(jì)水位升至▽80m～▽85m，基坑水位則由▽60m逐步抽水下降至▽0.00m，反映在不同水荷載作用下墻體的應(yīng)力和變位。當(dāng)上游墻單墻承擔(dān)水頭時(shí)，上游水位為▽76m，基坑抽水至▽50m和▽45m時(shí)，墻體最大水平位移分別為54.5cm和49.7cm，表明墻體變位隨著水頭的增加而增大。當(dāng)子堤后面填土至▽78.5m時(shí)，墻體變位又減小到48.0cm，表明子堤后填土可抑制和減小墻體變位。當(dāng)基坑繼續(xù)抽水至▽40m時(shí)，墻體變位又增加到49.4cm；后來兩墻承擔(dān)水頭，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)上游水位情況，將上游水位降至▽73.0m時(shí)，基坑水位抽至▽30m，墻間水位為實(shí)測(cè)的▽55m，計(jì)算得到的上游變位為53.7cm，相對(duì)應(yīng)的1998年9月15日上游墻的實(shí)測(cè)變位值為55.2cm(上游水位▽72.0m，墻間水位▽55.0m，基坑水位▽26.0m)，表明在相近的水頭下，計(jì)算與實(shí)測(cè)值是比較接近的。圖4繪出了計(jì)算與實(shí)測(cè)墻體變位的比較。曲線可分三段。高程15m以下，計(jì)算和實(shí)測(cè)值墻體變位的增量和規(guī)律性均較為接近；▽15m～▽40m這段曲線，計(jì)算值較實(shí)測(cè)值大些，這可能與▽35m以下為平拋墊底砂料的實(shí)際填料參數(shù)比計(jì)算采用的填料參數(shù)要好，因而實(shí)測(cè)值要小些；▽40m～▽70m這段曲線，墻體變位規(guī)律和數(shù)值，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值還是比較接近的。即計(jì)算得到的墻體變位，基本上反映了墻體的實(shí)際變形性狀。

表1列出了兩墻承擔(dān)的水頭時(shí)各種工況計(jì)算結(jié)果。由表可知，墻體位移和應(yīng)力均隨著水頭的增大而增加；上游墻位移比下游墻位移大得多，原因前已敘述。兩墻的最大主應(yīng)力相差不大，說明兩墻所承擔(dān)的荷載比較均勻，上游墻承擔(dān)荷載稍大一些，這是優(yōu)化設(shè)計(jì)采用了先施工上墻后施工下墻方案，對(duì)改善墻體應(yīng)力是有利的。

當(dāng)圍堰擋水達(dá)到設(shè)計(jì)正常蓄水位高程V85m時(shí)，墻間水位在▽28～▽57m之間變化，基坑抽水至▽10m和▽0.0m時(shí)，計(jì)算上游墻的最大變位為66.6m至67.4cm，下游墻變位約為17.1cm至18.2cm。

由墻體應(yīng)力和應(yīng)力水平分布曲線圖5和圖6看，最大應(yīng)力均發(fā)生在墻端基巖面附近的單元內(nèi)，墻體應(yīng)力均較小，最大主應(yīng)力約為3.14MPa至5.28MPa。在深槽段墻體鉆孔取樣試驗(yàn)資料表明，其墻體材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到4.62MPa～11.2MPa，表明墻體應(yīng)力在強(qiáng)度范圍之內(nèi)。若考慮在圍壓條件下強(qiáng)度還要大些，故其安全余度也大些。而且塑性混凝土材料隨著時(shí)間的推移，其強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增加，比彈模隨齡期增長(zhǎng)要快而大，這對(duì)墻體的安全是有利的。墻體應(yīng)力水平一般均在0.8以下，小于1.0，只是在墻端部有l(wèi)～2個(gè)單元的應(yīng)力水平達(dá)到1.0，這是由于該處彎矩的拉應(yīng)力較大引起的，但它不是連續(xù)的(1.0m厚墻體分為0.3m、0.4m和0.3m三排單位)，亦即不會(huì)造成貫穿墻體的破壞，對(duì)墻的穩(wěn)定和安全不會(huì)造成危害。

圖4 墻體變位計(jì)算與實(shí)測(cè)比較

——上游面單元

——下游面單元

圖5 上游墻體豎向應(yīng)力6v(MPa)

圖6 上游墻體應(yīng)力水平

4、結(jié)論與建議

通過對(duì)三峽工程二期上游園堰1998年汛期基坑抽水階段各種工況下的計(jì)算分析，有以下認(rèn)識(shí)：

(1)計(jì)算表明，調(diào)整參數(shù)后計(jì)算的墻體變位值與實(shí)測(cè)值在變形規(guī)律和數(shù)值上基本上是相似的；在設(shè)計(jì)正常蓄水位V85.0m下，上游墻的最大變位將達(dá)到67.4cm；應(yīng)力基本上在墻體實(shí)測(cè)強(qiáng)度范圍之內(nèi)；墻體應(yīng)力水平小于1.0，只在墻端個(gè)別單元的應(yīng)力水平達(dá)到1.0，對(duì)墻體穩(wěn)定和安全不會(huì)造成危害。表明在1998年汛期基坑抽水階段，墻體變形正常，墻體和堰體是穩(wěn)定、安全的；

(2)本計(jì)算只是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作了一些填料參數(shù)的調(diào)整，其成果只是初步的成果。有些問題尚來不及認(rèn)真研究，如兩墻間的隔墻及墻體內(nèi)預(yù)留監(jiān)測(cè)鋼管等對(duì)墻體應(yīng)力變形的影響應(yīng)在三維分析中加以考慮；

(3)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)圍堰堰體和防滲墻的監(jiān)測(cè)，以確保圍堰的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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3、劉松濤.三峽深水圍堰堰體與防滲墻聯(lián)合作用研究.長(zhǎng)江 科學(xué)院院報(bào)，1997(1)