丁玉財(cái)，杜雪珍，史 彬，劉占博

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

江邊水電站位于四川省甘孜藏族自治州東南部九龍縣，是一座以發(fā)電為主的低閘高水頭引水式電站，樞紐主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)三大部分組成。水庫正常蓄水位1797 m，相應(yīng)庫容133.0萬m3，死水位1789 m，日調(diào)節(jié)庫容90.6萬m3，電站總裝機(jī)容量330 MW。

1 攔河閘壩結(jié)構(gòu)布置

江邊水電站首部攔河壩為混凝土閘壩，自左至右依次為左岸混凝土擋水壩段、沖砂閘、泄洪閘段、右岸混凝土擋水壩段和右岸岸坡粘土心墻壩段。壩頂高程為1799.50 m，最大壩高27.50 m，壩頂總長179.10 m，由二孔泄洪閘和一孔沖砂閘及左右岸混凝土擋水重力壩段、右岸岸坡粘土心墻堆石壩段組成?；炷翂味尾捎锰菪螖嗝嬖O(shè)計(jì)。左岸混凝土擋水壩段長42.20 m，分為2個壩段，壩段長分別為18.5，23.7 m，壩頂寬13 m，最大壩高27.50 m；右岸混凝土壩段長50.43 m，分為3個壩段，壩段長分別為17，18，15.43 m，壩頂寬 12 m，最大壩高 27.50 m；泄洪閘和沖砂閘布置在主河床處，分為兩個壩段，壩段長為22 m和14 m，閘室底板長為36.0 m。閘孔為胸墻式孔口泄流，泄洪閘孔口尺寸為8.0 m×6.0 m（寬×高），沖砂閘孔口尺寸為4.0 m×4.5 m（寬×高），底板厚為4.0 m，閘高為 27.50 m。粘土心墻壩段壩頂長50.47 m，壩頂寬32 m兼作回車場。

2 地質(zhì)概況

閘基第四系覆蓋層最厚達(dá)109.2 m，是影響建閘壩的主要地質(zhì)條件。按巖性和埋藏條件分為5層：

第①層為崩坡積（Qc4ol+dl）碎石土，厚度 2.9～18.6 m，結(jié)構(gòu)松散，局部架空，承載力低，不能作為閘壩基礎(chǔ)；第②層為沖洪（Qa4l+pl）漂（塊）卵（碎）石層，總厚度 7.5～40.7 m，漂（塊）卵（碎）石，主要由卵（碎）石組成，漂（塊）石散布其中，上部局部架空，下部較密實(shí)，地層較均一，可作為閘壩基礎(chǔ)持力層；第③層為沖湖積（Qa4l+l）砂質(zhì)粉土，夾有粉質(zhì)粘土及粉砂透鏡體，厚度一般10.5～66.3 m，最大厚度達(dá)71.65 m，分布于第②層以下，呈密實(shí)狀，平均滲透系數(shù)為1.78×10-5cm/s，屬微透水性，與壩基兩岸弱風(fēng)化微透水巖體直接相連，是較好的天然鋪蓋；第④層為沖洪積（Qa4l+pl）卵（碎）砂礫，雜色，泥質(zhì)弱膠結(jié)，密實(shí)，僅分布于古河槽底部；第⑤層為沖洪積（Qa4l+pl）卵（碎）石，為古河道兩岸階地堆積物，顆粒巖性以黑云母石英片巖為主，泥質(zhì)弱膠結(jié)，密實(shí)。

3 基礎(chǔ)處理

結(jié)合江邊閘址工程地質(zhì)條件，在壩基覆蓋層防滲設(shè)計(jì)采用垂直混凝土防滲墻與水平混凝土鋪蓋聯(lián)合防滲，左壩肩采用灌漿帷幕防滲。攔河閘壩基礎(chǔ)座落在沖洪積（Qal+pl）4漂（塊）卵（碎）石層上，為了提高地基承載力和基礎(chǔ)變形模量，對基礎(chǔ)采用固結(jié)灌漿進(jìn)行處理。灌漿孔距、排距均為2.5 m，孔深為建基面以下10 m。

4 閘壩實(shí)測沉降變形

4.1 沉降變形監(jiān)測設(shè)計(jì)

1）基礎(chǔ)沉降。在④、⑤號壩段閘室上游始端底板頂布置3個水準(zhǔn)測點(diǎn)，在⑥號壩段壩踵趾板頂布置1個水準(zhǔn)點(diǎn)，從施工期開始觀測基礎(chǔ)沉降。

2）壩頂垂直位移。在每個混凝土擋水壩段都布置1～2個水準(zhǔn)測點(diǎn)，監(jiān)測壩體沉降；在泄洪閘閘墩上、下游側(cè)布置4個水準(zhǔn)測點(diǎn)，以觀測閘墩垂直位移和傾斜。

4.2 沉降變形監(jiān)測成果

4.2.1 施工期基礎(chǔ)沉降

為了取得施工期閘壩沉降過程，對泄洪閘和沖砂閘壩段底板上游及⑥號壩段壩踵趾板頂面設(shè)置的4個臨時垂直位移測點(diǎn)（測點(diǎn)編號為LDls1～LDls4，高程為1776.10 m）進(jìn)行觀測。觀測時段為2009年9月7日至2010年4月11日，觀測近7個月，各測點(diǎn)測值過程線見圖1，極值統(tǒng)計(jì)成果見表1。

由圖1、表1可見，各測點(diǎn)自2009年9月觀測以來，壩基沉降隨壩體填筑高程的增高而增大，符合壩基沉降一般規(guī)律。2010年閘壩底板過水后停止觀測，累積位移最大分別為18，25，22，34 mm，測值逐漸收斂，但未趨于穩(wěn)定。

4.2.2 運(yùn)行期壩頂沉降

為了解閘壩壩頂沉降，對混凝土閘壩壩頂表面埋設(shè)的15個垂直位移測點(diǎn)，進(jìn)行垂直位移觀測。各③～⑥號壩測點(diǎn)的沉降變化過程線見圖2，3，壩頂沉降監(jiān)測成果匯總于表1。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：江邊水電站混凝土閘壩段運(yùn)行期最大沉降量為13.02 mm，發(fā)生在4號壩段，最大沉降差為11.70 mm。

5 閘壩三維有限元計(jì)算

采用基于Biot固結(jié)理論的有效應(yīng)力方法進(jìn)行靜力分析，骨架模型采用南水雙屈服面彈塑性模型。

5.1 有限元單元離散及計(jì)算模擬

此次計(jì)算的三維網(wǎng)格圖共形成三維空間單元16417個，結(jié)點(diǎn)數(shù)18251個。順河向計(jì)算范圍為閘（壩）上75 m至閘（壩）下90 m。上下游邊界為截?cái)噙吔?，底部為固定邊界?/p>

計(jì)算加載時，首先模擬天然壩基覆蓋層，從右到左依次分級模擬各壩段（2～8號混凝土壩段和右壩頭粘土心墻壩），最后分級模擬蓄水至最高運(yùn)行水位1795.5 m，弧形工作閘門關(guān)閉擋水。

靜力計(jì)算主要考慮荷載有：覆蓋層及巖體自重；混凝土及回填料自重；水壓力；弧門推力。

表1 閘壩各測點(diǎn)監(jiān)測值與三維有限元計(jì)算成果對比表 mm

圖1 垂直位移測點(diǎn)測值過程線

圖3 壩頂縱向垂直位移分布圖

覆蓋層計(jì)算參數(shù)見表2。

5.2 有限元沉降變形計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算結(jié)果表明：左岸混凝土擋水壩段，以③號壩段變形最為明顯，竣工期③號壩段最大沉降5.7 cm。運(yùn)行期，在庫水壓力作用下，③號壩段最大沉降增至8.4 cm。

右岸混凝土擋水壩段，以⑥號壩段變形最為明顯，竣工期⑥號壩段最大沉降11.2 cm。運(yùn)行期，⑥號壩段最大沉降增至13.1 cm。

表2 閘壩基礎(chǔ)覆蓋層計(jì)算參數(shù)表

竣工期閘室底板頂面最大沉降為5.8 cm。運(yùn)行期，閘室底板底板頂面最大沉降為9.3 cm。

該工程變形原位觀測結(jié)果顯示，施工期底板上游側(cè)最大沉降為1.8 cm，發(fā)生在閘（壩）右0+021.5 m，沒有對③號壩段進(jìn)行觀測。⑥號壩段底板上游側(cè)最大沉降量為3.4 cm，位于閘（壩）右0+047.0 m；截止2012年4月20日，運(yùn)行期閘室頂最大沉降量為1.30 cm，發(fā)生在閘（壩）右0+001.5 m。③號壩段壩頂沉降量為1.09 cm，位于閘（壩）左0+009.0 m；⑥號壩段壩頂沉降量為0.30 cm，位于閘（壩）右0+047.0 m。

6 有限元變形計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對比分析

不同時期各壩段沉降變形比較圖如圖4所示。

圖4 不同時期各壩段沉降變形圖

有限元計(jì)算結(jié)果是否合理主要取決于結(jié)構(gòu)體本構(gòu)模型、施工工序的模擬以及計(jì)算參數(shù)的選取是否合理。

工程覆蓋層采用沈珠江院士提出的南水雙屈服面彈塑性模型，該模型可以考慮堆石體的剪脹和剪縮特性，能夠較為真實(shí)地反映覆蓋層地基的應(yīng)力應(yīng)變性狀，該模型已得到業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可和采納。有限元計(jì)算根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工順序進(jìn)行加載，符合工程實(shí)際。所采用的計(jì)算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)成果，并結(jié)合前期部分現(xiàn)場測試成果確定。

對比有限元計(jì)算結(jié)果和原位觀測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩者在分布規(guī)律上是接近的，但數(shù)值上尚有一定偏差，導(dǎo)致兩者在數(shù)值上有偏差的原因有：

1）施工期和運(yùn)行期變形觀測都存在一定的漏測，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和觀測結(jié)果在數(shù)值上有偏差，實(shí)際變形要比觀測值稍大。

2）覆蓋層尤其是表層固結(jié)灌漿處理范圍內(nèi)土體的計(jì)算參數(shù)和實(shí)際情況是有差別的，這也是造成計(jì)算結(jié)果和觀測結(jié)果數(shù)值上有偏差的重要原因。

3）計(jì)算結(jié)果和原位觀測結(jié)果存在偏差，主要和閘基下第②層灌漿范圍內(nèi)土體的模擬以及計(jì)算參數(shù)與實(shí)際存在差距。室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)成果受試驗(yàn)制樣密度控制、級配縮尺、試驗(yàn)曲線整理等因素的影響，室內(nèi)試驗(yàn)方法獲得的參數(shù)可能和實(shí)際有一定的偏差。尤其是砂礫石覆蓋層，很難準(zhǔn)確掌握其原位密度和原位顆粒級配，其室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)的可靠性更差。

綜上所述，閘基下第②層天然土體和灌漿處理范圍內(nèi)土體的模擬和計(jì)算參數(shù)選取的不合理，是導(dǎo)致閘基變形計(jì)算值和觀測值產(chǎn)生偏差的關(guān)鍵原因。

7 結(jié)語

1）江邊水電站攔河閘壩施工期和運(yùn)行期變形觀測都存在漏測，實(shí)際變形要比觀測結(jié)果大。該工程原位觀測雖存在一定的漏測，但閘壩主要變形已反映，總的來說，閘壩施工期和運(yùn)行期實(shí)際變形較小，目前變形趨于穩(wěn)定，閘壩工作性狀良好。

2）閘壩變形反饋分析結(jié)果顯示，施工期和運(yùn)行期閘室變形較小，施工期最大沉降在3 cm左右，運(yùn)行期最大沉降約為4.6 cm，底板不均勻變形很小，傾度在0.1%以內(nèi)?？梢姡l壩變形要比原有限元計(jì)算結(jié)果小得多，可以推斷閘壩應(yīng)力狀態(tài)比原有限元計(jì)算結(jié)果要好。

3）變形原型觀測結(jié)果充分說明：閘基下采用固結(jié)灌漿處理措施是合適的，閘下表層用碾壓密實(shí)洞渣置換并固結(jié)灌漿加固處理效果較好，閘基和閘壩的穩(wěn)定性和應(yīng)力變形性狀良好，在如此深厚覆蓋層上修建30 m級閘壩是可行的。

4）采用基于Biot固結(jié)理論的有效應(yīng)力方法進(jìn)行三維有限元靜力計(jì)算分析，骨架模型采用南水雙屈服面彈塑性模型。兩者在分布規(guī)律上是接近的，只是數(shù)值上尚有一定偏差，理論計(jì)算結(jié)果較實(shí)際偏大。所以該計(jì)算方法和計(jì)算理論，仍可供工程設(shè)計(jì)者們借鑒。

［1］中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院.觀測成果對比分析計(jì)算及基礎(chǔ)處理評價(jià)［R］.四川省九龍河江邊水電站深厚覆蓋層研究專題報(bào)告，2012.

［2］中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院.四川省九龍河江邊水電站閘壩深覆蓋層基礎(chǔ)處理專題研究巖土理力學(xué)參數(shù)分析與選取研究報(bào)告［R］.2011.

［3］四川省九龍河江邊水電站首部樞紐攔河閘壩覆蓋層工程特性及閘室三維有限元靜動力特性研究［R］.南京水利科學(xué)研究院，2011.

［4］四川省甘孜州九龍河江邊水電站安全監(jiān)測資料分析報(bào)告［R］.國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，2012.