劉若星, 霍家平, 傅中志，梅世昂

(1．南京水利科學(xué)研究院，江蘇?南京?210024；2．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江?杭州?310012；3．水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇?南京?210024)

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覆蓋層上面板堆石壩的應(yīng)力變形特性研究

劉若星1,2, 霍家平1,3, 傅中志1,3，梅世昂1,3

(1．南京水利科學(xué)研究院，江蘇?南京?210024；2．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江?杭州?310012；3．水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇?南京?210024)

對某工程大壩基礎(chǔ)砂礫石層進(jìn)行了淺層載荷試驗(yàn)，反演分析了基礎(chǔ)覆蓋層的“南水”雙屈服面模型參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合筑壩材料大型三軸試驗(yàn)結(jié)果，研究了覆蓋層上面板堆石壩壩體和面板的應(yīng)力變形特性，研究了蓄水后周邊縫和垂直縫的變形量值，比較了覆蓋層不同開挖范圍時大壩、面板、周邊縫以及垂直縫的應(yīng)力變形特征，對壩基砂礫石層的開挖范圍和合理利用提出了建議。圖4幅，表3個。

覆蓋層；面板堆石壩；載荷試驗(yàn)；應(yīng)力變形

0 引 言

面板堆石壩因其對地形地質(zhì)條件的廣泛適用性、就地取材的經(jīng)濟(jì)性和快速施工的便利性等優(yōu)勢，在世界各國水利水電開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[1]。我國自20世紀(jì)80年代中期開始建造混凝土面板堆石壩，至今建成和在建的混凝土面板堆石壩數(shù)量已經(jīng)超過250座[2]。其中，已建成投產(chǎn)的清江水布埡面板堆石壩壩高233 m，居同類壩型世界第一[3]。隨著我國水能資源開發(fā)程度的進(jìn)一步提高，優(yōu)良壩址日益減小，不少擬建面板壩都將面臨深厚覆蓋層上筑壩的技術(shù)難題。

隨著我國筑壩技術(shù)和壩基處理技術(shù)的提高，保留壩基覆蓋層已成為重要發(fā)展趨勢，如云南那蘭水電站、新疆察汗烏蘇水電站、甘肅九甸峽水電站等大壩均將趾板建于覆蓋層之上，且壩高均突破100 m，為我國覆蓋層上面板堆石壩建設(shè)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[2]。覆蓋層上筑壩主要有兩種方式：一是將趾板及其下游一定范圍內(nèi)的覆蓋層挖除，趾板建于基巖面上，堆石體主體仍建基于覆蓋層上；二是將趾板和堆石體均建基于覆蓋層上，趾板通過連接板與混凝土防滲墻相連接，形成封閉的防滲系統(tǒng)[4]。目前，對于覆蓋層上筑壩的基本認(rèn)識是，在河床沖積層深厚的壩址，只要沖積層內(nèi)沒有軟弱夾層或透鏡體；或有軟弱夾層和透鏡體，但經(jīng)處理后能夠滿足抗滑穩(wěn)定的要求，且各部位的總平均壓縮模量不低于相應(yīng)部位的堆石體壓縮模量。除趾板、墊層及過渡區(qū)部位外，其余堆石體部位的覆蓋層一般均可以作為堆石體壩基的一部分而予以保留[5]，趾板部位的處理方式則宜根據(jù)勘察、試驗(yàn)和驗(yàn)證后確定。

本文以貴州省銅灌口水庫灌區(qū)工程為例，綜合運(yùn)用勘察、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段研究了覆蓋層上面板堆石壩壩體和防滲系統(tǒng)的應(yīng)力變形特性，論證了該工程覆蓋層利用的可行性。

1 工程概況

銅灌口水庫灌區(qū)工程位于貴州省習(xí)水縣同民鎮(zhèn)藺江村的同民河中游，距遵義市區(qū)253 km，距習(xí)水縣城53 km，距同民鎮(zhèn)15.2 km，壩址處有簡易鄉(xiāng)村公路通過。工程建設(shè)任務(wù)為農(nóng)田灌溉、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水，主要由水庫樞紐和灌區(qū)渠系工程組成。水庫樞紐工程主要建筑物有大壩、溢洪道、取水兼放空隧洞；灌區(qū)渠系由總干渠、河西干渠、螺絲灣干渠和6條支渠組成，灌區(qū)渠系總長102.411 km(其中3條已成斗渠，長23.115 km)。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高86.0 m，壩頂高程756.00 m，壩頂長202 m，壩頂寬7.5 m，頂部上游側(cè)設(shè)置5.7 m高的防浪墻，混凝土面板厚0.3～0.6 m，上游壩坡1∶1.506 5，下游壩坡平均為1∶1.57(壩坡上設(shè)有6.5 m寬的上壩公路，公路間壩坡1∶1.30)(見圖1)。

圖1 大壩典型剖面示意

根據(jù)勘探揭示，壩址河床覆蓋層深度為4～33.7 m，主要為崩塌堆積物，是塊石、泥巖等風(fēng)化產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)較為松散，且滲透性較強(qiáng)，存在不均勻變形和滲透穩(wěn)定的問題。初步設(shè)計(jì)時擬將壩基覆蓋層全部開挖清除，但因工程地處自然保護(hù)區(qū)，覆蓋層開挖不僅加大壩體填筑量，還將造成大量棄碴，對生態(tài)環(huán)境造成不利影響。為解決上述問題，對壩基覆蓋層開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，并對壩體和壩基覆蓋層開展了三維有限元計(jì)算分析，研究了覆蓋層上筑壩的可行性。

2 覆蓋層淺層載荷試驗(yàn)

在壩軸線下游側(cè)的左岸河床部位布置了3個試點(diǎn)，開展了淺層載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備由以下4部分組成：

(1) 承壓板。寬b=0.5 m，面積A=0.25 m2的方形鋼板。

(2) 加荷系統(tǒng)。是通過承壓板對地基施加額定荷載的裝置，采用電穩(wěn)壓式加荷裝置，其原理是由液壓加荷系統(tǒng)引出的壓力表組成的傳感器通過電氣穩(wěn)壓控制系統(tǒng)開啟油泵電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)油，當(dāng)所施加的荷載滿足要求時停止補(bǔ)油。

(3) 反力系統(tǒng)。采用挖機(jī)作反力系統(tǒng)。

(4) 觀測系統(tǒng)。由電腦、JCQ—503A型靜力載荷測試儀、觀測支架、位移傳感器、壓力傳感器組成。測試前將相關(guān)參數(shù)按要求輸入電腦，確定無誤后開始測試，儀器將自動進(jìn)行加載、判穩(wěn)、記錄沉降值和油泵壓力(轉(zhuǎn)換成荷載值)并繪制荷載試驗(yàn)p～s曲線等。

表1中列出了3個試點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果，3個試點(diǎn)均受反力限制終止試驗(yàn)(見表1)。從表中可以看出各試點(diǎn)直接試驗(yàn)結(jié)果差異顯著，表明覆蓋層材料的不均勻性是比較明顯的。

表1 淺層載荷試驗(yàn)結(jié)果

3 覆蓋層變形參數(shù)反演

3.1 覆蓋層分布簡化

壩基鉆孔勘測和聲波測試結(jié)果顯示，覆蓋層的分層較為明顯，隨著埋深的增加，波速逐漸提高，故可以斷定深部覆蓋層的密實(shí)度和變形模量較淺層大。但在本次反演分析和后續(xù)計(jì)算中均將覆蓋層視為單一均勻材料，這一簡化主要基于以下考慮：即反演分析用載荷試驗(yàn)結(jié)果，反演得到的變形參數(shù)是反映淺層砂礫石層變形特性的，將其運(yùn)用到深部覆蓋層是偏于保守和安全的。

3.2 反演參數(shù)選擇

壩基覆蓋層和壩料均采用南水雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型[6]，該模型共有9個參數(shù)，其中變形模量參數(shù)3個，即破壞比Rf，模量參數(shù)K、Kur和n；非線性強(qiáng)度參數(shù)φ0和Δφ；體變參數(shù)cd、nd和Rd。其中，最能體現(xiàn)材料變形特性的2個參數(shù)是模量參數(shù)K和體變參數(shù)cd，故反演分析僅通過優(yōu)化手段推求這2個參數(shù)的取值，其余變形參數(shù)依工程經(jīng)驗(yàn)取值?？紤]到覆蓋層原狀樣的強(qiáng)度參數(shù)較擾動樣高，且目前還沒有根據(jù)變形模量推算強(qiáng)度指標(biāo)的可靠方法，故本次計(jì)算從偏于安全的角度，覆蓋層強(qiáng)度參數(shù)取用主堆石料的強(qiáng)度參數(shù)。

3.3 載荷試驗(yàn)建模

載荷試驗(yàn)所用的承壓板尺寸為0.5 m×0.5 m，且載荷試驗(yàn)的影響范圍一般在承壓板下1.5～2倍承壓板直徑或?qū)挾?，故此處砂礫石層深度方向上取1.0 m；寬度方向上取3 m進(jìn)行建模，共形成結(jié)點(diǎn)11 264個，單元9 610個(見圖2)。

圖2 平板載荷試驗(yàn)有限元模型

3.4 反演分析結(jié)果

表1中試驗(yàn)點(diǎn)2處的變形模量顯著高于其余2個試驗(yàn)點(diǎn)，可能是由測點(diǎn)之下未被揭示的大塊石所致。此處為安全起見，采用試驗(yàn)點(diǎn)1和試驗(yàn)點(diǎn)3的載荷試驗(yàn)結(jié)果。圖3中分別繪制了試驗(yàn)點(diǎn)1和試驗(yàn)點(diǎn)3處載荷試驗(yàn)p～s曲線與數(shù)值模擬得到的p～s曲線(見圖3)，表2中列出了反演分析得到的覆蓋層本構(gòu)模型參數(shù)(見表2)，試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的p～s曲線的吻合程度良好，表明反演得到的參數(shù)精度較高。

4 大壩三維有限元分析

4.1 大壩有限元模型

截取了壩0+003.0 m到壩0+197.0 m約200 m長度的壩體進(jìn)行了單元離散，建立了三維有限元模型，共形成單元14 506個，結(jié)點(diǎn)14 836個(見圖4)。其中，三維實(shí)體單元主要采用8結(jié)點(diǎn)六面體等單元，為適應(yīng)邊界條件和壩料分區(qū)變化，局部區(qū)域采用三棱體和四面體單元過渡。圖中坐標(biāo)系定義如下：x正向定義為從左岸指向右岸，y正向定義為從上游指向下游，z正向定義為重力的反方向。

圖3 試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的p～s曲線對比

圖4 大壩的三維有限元網(wǎng)格示意

4.2 壩基和壩料參數(shù)

壩體和壩基材料可以考慮采用堆石體的剪脹和剪縮特性的“南水”雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型，表2中列出了壩基覆蓋層和壩料的南水雙屈服面彈塑性模型參數(shù)?？梢钥闯?，反演分析得到的砂礫石層切線彈性模量參數(shù)K值為1 244；體變參數(shù)cd值為0.001，前者高于主、次堆石料的K值，后者低于主、次堆石的cd值。兩者均表明，覆蓋層較為密實(shí)，壓縮性甚至低于筑壩堆石料。

表2 壩料和覆蓋層的“南水”雙屈服面模型參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果

表3中列出了不同覆蓋層開挖量時壩體、面板和接縫的應(yīng)力變形指標(biāo)(見表3)。覆蓋層上直接筑壩(即開挖范圍為趾板下游40 m)時，蓄水期壩體指向左岸的軸向位移為8.9 cm，指向右岸的軸向位移為6.4 cm；壩體指向上游的順河向位移為3.7 cm，指向下游的順河向位移為16.6 cm；壩體沉降為53.2 cm。壩體應(yīng)力水平始終未超過1，故填筑和運(yùn)行期壩料不會出現(xiàn)剪切破壞。面板最大軸向位移為1.9 cm；最大撓度約16.3 cm，撓曲率為1.12‰。面板絕大多數(shù)區(qū)域處于三向受壓的良好應(yīng)力狀態(tài)，軸向最大壓應(yīng)力2.88 MPa，最大拉應(yīng)力0.20 MPa；順坡向最大壓應(yīng)力3.62 MPa，最大拉應(yīng)力0.68 MPa。面板的拉壓應(yīng)力低于混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。周邊縫剪切位移5.8 mm、沉陷14.7 mm、張拉18.6 mm；垂直縫最大張拉1.9 mm，均未超出止水的可承受范圍。

上述計(jì)算結(jié)果表明，保留河床覆蓋層時大壩及其防滲系統(tǒng)的應(yīng)力變形性狀良好，銅灌口水庫混凝土面板堆石壩工程宜優(yōu)先考慮在覆蓋層上直接筑壩。

表3 不同覆蓋層開挖范圍時大壩的應(yīng)力變形指標(biāo)

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用三維有限單元法對銅灌口灌區(qū)工程大壩基礎(chǔ)砂礫石層的淺層載荷試驗(yàn)進(jìn)行了分析，反演得到了基礎(chǔ)覆蓋層的雙屈服面模型參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合筑壩材料大型三軸試驗(yàn)結(jié)果，研究了不同覆蓋層開挖方案時壩體、面板和接縫系統(tǒng)的應(yīng)力變形特性，得出的主要結(jié)論如下：

(1) 反演分析得到覆蓋層的模量參數(shù)和體變參數(shù)分別為K=1 244；cd=0.001，其中，模量參數(shù)高于主、次堆石料，體變參數(shù)低于主、次堆石，表明覆蓋層較為密實(shí)，壓縮性低于筑壩堆石料，具有覆蓋層上筑壩的條件。

(2) 由于覆蓋層的變形模量要高于主、次堆石料，故開挖范圍越小，即河床覆蓋層保留越多，壩體在竣工期和蓄水期的變形值越?。幻姘宓妮S向位移和撓度也越小。即使只對趾板下游40 m范圍內(nèi)覆蓋層進(jìn)行開挖清除，面板的軸向和順坡向應(yīng)力均低于混凝土材料的抗壓和抗拉強(qiáng)度；周邊縫和垂直縫的三向變位亦未超出止水的可承受范圍。故銅灌口水庫混凝土面板堆石壩工程宜優(yōu)先考慮在覆蓋層上直接筑壩。

[1] 國際大壩委員會. 混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)與施工概念[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2010.

[2] 酈能惠. 高混凝土面板堆石壩新技術(shù)[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2007.

[3] 楊啟貴, 劉 寧, 孫 役. 水布埡面板堆石壩筑壩技術(shù)[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2010.

[4] SL 228—2013, 混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 王自高, 馬顯光, 高 健. 高土石壩深厚覆蓋層地基勘察及處理實(shí)踐[C]//土石壩技術(shù)2014年論文集.北京：中國電力出版社，2015：9_16.

[6] 沈珠江. 理論土力學(xué)[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2000.

責(zé)任編輯 吳 昊

2015-06-08

劉若星(1984-)，女，工程師，主要從事水利水電研究及科研管理工作。 E_mail:rxliu@hrcshp.org