高遠(yuǎn)貴，高　山，崔露丹

（1.四川省水利科學(xué)研究院，成都 610072；2.四川大學(xué)水電學(xué)院，成都 610065；3.成都協(xié)和水利水電工程公司，成都 610072）

0　引言

沙灣水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)境內(nèi)，采用河床式廠房加長(zhǎng)尾水渠混合式開發(fā)，是以發(fā)電為主，兼顧灌溉和航運(yùn)等綜合效益的二等大（2）型工程。樞紐工程中泄洪沖砂閘布置于主廠房左側(cè)，均建于深厚覆蓋層砂卵石地基上，共10孔，其中靠近廠房5孔為沖砂閘（1#～5#）；其余5孔（6#～10#）為泄洪閘，除5#、6#閘孔為1孔閘一個(gè)單元外，其余均為2孔閘一個(gè)單元，為開敞式平底寬頂堰，閘孔凈寬14 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)40.78 m，閘底板頂高程均為416.5 m，閘底板厚5 m[1]。閘后采用底流消能。泄洪沖砂閘設(shè)檢修門和工作門，檢修門為露頂平面滑動(dòng)門，工作門為露頂弧形門。在泄洪沖砂閘室上游設(shè)長(zhǎng)15 m，厚度2 m的鋪蓋，鋪蓋上游端基礎(chǔ)下設(shè)厚1.0 m的塑性砼防滲墻，塑性砼防滲墻貫穿約48 m厚的覆蓋層，嵌入基巖1 m。

1　問題的提出

泄洪沖砂閘均建于深厚覆蓋層砂卵石地基上，砂卵石地基本身很均勻無砂層及透鏡體分布，其穩(wěn)定和承載力均滿足水閘對(duì)地基的要求，但由于一期圍堰兩道深48 m的塑性砼防滲墻順?biāo)鞣较蚩v臥于5#～8#閘閘底板下，造成閘基軟硬不一，閘底板下塑性砼防滲墻在閘室竣工及運(yùn)行期間，對(duì)閘底板產(chǎn)生較大的頂托，造成閘底板應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫[2-4]；閘體沉降不均使閘室傾斜，破壞止水[5-7]，危及閘室的安全。針對(duì)沙灣水電站泄洪沖砂閘5#～8#閘段結(jié)構(gòu)特性為研究目標(biāo)，結(jié)合該區(qū)域地形、地質(zhì)條件，采用三維有限元法[8-9]，系統(tǒng)研究不同地基處理方案情況下，閘室結(jié)構(gòu)及地基在完建工況、運(yùn)行期工況以及地震工況條件下的應(yīng)力、位移分布規(guī)律，并進(jìn)行綜合比較，提出推薦的地基處理方案，保證閘室長(zhǎng)期安全運(yùn)行。具體研究?jī)?nèi)容包括：①在充分研究閘壩地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立5#～8#閘段三維有限元法計(jì)算模型，全面準(zhǔn)確地模擬閘室、地基及塑性砼防滲墻空間展布及材料物理力學(xué)性質(zhì)。②研究完建工況條件下閘室結(jié)構(gòu)特性，包括應(yīng)力、變形及閘段不均勻變形程度，為工程安全評(píng)價(jià)和處理提供依據(jù)。③研究運(yùn)行期（正常運(yùn)行工況、校核工況及檢修工況）閘室結(jié)構(gòu)特性，包括應(yīng)力、變形及閘段不均勻變形程度，為工程評(píng)價(jià)和處理提供依據(jù)。④采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算分析地震工況下閘室結(jié)構(gòu)特性，并評(píng)價(jià)其工程安全性。

圖1　有限元建模范圍

2　三維有限元仿真計(jì)算

2.1　計(jì)算模型

針對(duì)沙灣水電站泄洪沖砂閘區(qū)域的地形地質(zhì)條件，結(jié)合工程布置及主要計(jì)算分析范圍，計(jì)算區(qū)域選定見圖1。順河向建模范圍為：上游至壩縱0－040.0 m，下游至壩縱0+060.78 m，長(zhǎng)度共100.78 m；橫河向建模范圍為：5#～8#閘室段壩橫0+293.72—壩橫0+377.76，長(zhǎng)度共84.04 m，鉛直向底部取至300.00 m高程，上部延伸至閘室頂部，高程為435.00 m，見圖2。

圖2　三維有限元模型結(jié)構(gòu)及防滲墻透視圖

2.2　計(jì)算工況及荷載組合[10]

2.2.1基本組合及荷載

正常運(yùn)行情況下，上游正常蓄水位432.00 m，下游無水?？紤]荷載包括自重、水重、靜水壓力、淤沙壓力、浪壓力、揚(yáng)壓力、土壓力。

2.2.2特殊組合及荷載

施工完建情況下，閘室自重和土壓力荷載。校核洪水位情況下，上游水位432.58 m，下游水位424.45 m，考慮荷載包括自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、土壓力。地震情況下，上游正常蓄水位432.00 m，地震烈度為7度，考慮荷載為包括自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力、地震力、浪壓力、土壓力。

2.2.3擬定塑性防滲墻處理方案

為了對(duì)比建基面以下不同清挖深度情況下5#～8#閘段最大不均勻沉降差、閘底板應(yīng)力的變化規(guī)律，針對(duì)殘存的塑性砼防滲墻，擬定6種處理方案：①對(duì)塑性砼防滲墻不做任何處理。②建基面以下防滲墻范圍內(nèi)清挖2.0 m，并回填砂卵石，砂卵石模量為20.0 MPa。③建基面以下防滲墻范圍內(nèi)清挖2.0 m，并回填黏土，黏土模量為7.0 MPa。④對(duì)防滲墻建基面以下8 m范圍砼防滲墻進(jìn)行松動(dòng)爆破，松動(dòng)爆破之后砼防滲墻模量取為80 MPa，同時(shí)建基面以下防滲墻范圍內(nèi)清挖2.0 m，并回填砂卵石，砂卵石模量為20.0 MPa。⑤對(duì)防滲墻建基面以下8 m范圍砼防滲墻進(jìn)行松動(dòng)爆破，松動(dòng)爆破之后砼防滲墻模量取為80 MPa，同時(shí)建基面以下二道防滲墻之間清挖2.0 m，并回填黏土，黏土模量為7.0 MPa。⑥對(duì)防滲墻建基面以下8 m范圍砼防滲墻進(jìn)行松動(dòng)爆破，松動(dòng)爆破之后砼防滲墻模量取為80 MPa，同時(shí)建基面以下二道防滲墻之間清挖2.0 m，并回填橡膠，橡膠模量為1.0 MPa（圖3）。

圖3　擬定塑性防滲墻處理方案圖

2.3　計(jì)算結(jié)果

2.3.1不均勻沉降比較

三維有限元分析計(jì)算表明，由于閘基中塑性砼防滲墻與砂卵石彈性模量差異較大，各典型工況下5#～8#閘段存在不均勻沉降變形。受塑性防滲墻頂托作用，6#、7#閘室鉛直向沉降量相對(duì)較小，而以防滲墻與閘底板交界線為中心線向左右兩岸延伸，閘室鉛直向沉降逐漸增大。由于向右岸延伸時(shí)地基覆蓋層逐漸增厚，而向左岸延伸時(shí)時(shí)地基覆蓋層厚度逐漸減小，故5#閘室沉降量相對(duì)最大，8#閘室沉降其次。其中方案一在水閘正常運(yùn)用工況下不均沉降量大于5 cm，閘底板拉應(yīng)力集中值達(dá)3.95 MPa，均超過了設(shè)計(jì)要求[11]。方案二和方案三在水閘正常運(yùn)用工況下不均沉降量均小于4 cm，滿足規(guī)范要求，但閘底板拉應(yīng)力集中值達(dá)3.15 MPa，超過了設(shè)計(jì)要求[11]。

2.3.2絕對(duì)沉降比較

針對(duì)不同地基處理方案，各典型工況5#～8#閘段建基面的絕對(duì)沉降極值及同一閘室最大不均勻沉降差，呈現(xiàn)出地震工況＞校核工況＞正常運(yùn)行工況＞完建工況的特點(diǎn)。對(duì)比各典型工況下閘段結(jié)構(gòu)的受力情況可以看出：各閘段底板的應(yīng)力分布來看，在閘室底板與邊墻交接部位出現(xiàn)了一定的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于防滲墻頂托作用引起的閘室不均勻沉降，閘室底板存在一定的拉應(yīng)力區(qū)域；閘室底板和建基面的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力極值均出現(xiàn)在地震工況。各方案及工況下閘室的最大不均勻沉降值和絕對(duì)沉降值見表1。

表1　各方案閘室的最大不均勻沉降值和絕對(duì)沉降值

2.3.3回填材料影響比較

在不同的基礎(chǔ)處理方案中，隨著2道防滲墻之間回填材料變形模量的降低以及回填深度和回填范圍的增大，相應(yīng)方案閘壩建基面的不均勻沉降程度也隨之降低，閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不均勻程度也減弱，其中方案6閘壩不均勻沉降差相對(duì)最小。隨著閘基處理深度或范圍的增大，施工難度及工程量隨之增大，回填材料變形模量若降低過大，則會(huì)引起閘基整體抗滑穩(wěn)定，從而影響閘基抗滑穩(wěn)定安全性。

綜合閘體變形特性、施工難度、工程量、閘基抗滑穩(wěn)定性、閘門運(yùn)行安全性等方面的因素，推薦方案4作為沙灣5#～8#閘段閘基處理方案，即對(duì)建基面以下8 m范圍混砼防滲墻進(jìn)行松動(dòng)爆破，同時(shí)對(duì)建基面防滲墻范圍內(nèi)清挖2.0 m，并回填砂卵石。

2.4　典型工況下推薦方案計(jì)算成果

2.4.1不均勻沉降

在推薦方案4情況下，正常運(yùn)行工況下閘室的最大絕對(duì)沉降值約為5.92 cm，出現(xiàn)在5#閘段，最大不均勻沉降值約1.36 cm，出現(xiàn)在6#閘段，最大附加不均勻沉降值約為0.03cm，出現(xiàn)在6#閘段。校核工況下閘室的最大絕對(duì)沉降值約為8.24 cm，出現(xiàn)在5#閘段，最大不均勻沉降值約1.44 cm，出現(xiàn)在6#閘段，最大附加不均勻沉降值約為0.51 cm，出現(xiàn)在5#閘段。地震工況下閘室的最大絕對(duì)沉降值約為10.01 cm，出現(xiàn)在5#閘段，最大不均勻沉降值約1.75 cm，出現(xiàn)在6#閘段，最大附加不均勻沉降值約為1.26 cm，出現(xiàn)在5#閘段。

2.4.2底板應(yīng)力分布

在推薦方案4情況下，在閘室底板與邊墻交接部位出現(xiàn)了一定的拉、壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。正常運(yùn)行工況下，閘室底板壓應(yīng)力約2.80 MPa，其中7#閘段局部出現(xiàn)約3.20 MPa壓應(yīng)力集中，拉應(yīng)力約-0.80 MPa。校核工況下，閘室底板壓應(yīng)力約2.0 MPa，7#閘段局部出現(xiàn)3.11 MPa壓應(yīng)力集中，拉應(yīng)力約-1.0 MPa。地震工況下，閘室底板壓應(yīng)力約4.40 MPa，局部出現(xiàn)5.15 MPa壓應(yīng)力集中。但在推薦方案4情況下，各工況底板應(yīng)力分布均滿足地基承載力要求[11]。

2.4.3地基應(yīng)力分布

在推薦方案4情況下，完建工況下閘室地基應(yīng)力量值約0.3 MPa，5#閘段局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，極值約0.61 MPa。正常運(yùn)行工況下閘室地基應(yīng)力量值約0.2 MPa，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，極值約0.44 MPa，出現(xiàn)在6#閘段。校核工況下閘室地基應(yīng)力量值約0.4 MPa，7#閘段局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，極值約0.63 MPa。地震工況下地基應(yīng)力極值約0.87 MPa。各工況地基應(yīng)力總體上量值較小，僅在沉降縫周邊部位出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，滿足地基承載力要求[11]。

3　結(jié)語(yǔ)

（1）在推薦方案4情況下，各工況閘室的絕對(duì)沉降值、不均勻沉降值以及附加不均勻沉降值均滿足規(guī)范要求。

（2）閘室底板出現(xiàn)了一定的拉、壓應(yīng)力集中區(qū)域，但量值較小，在工程實(shí)施時(shí)按照拉應(yīng)力的量值對(duì)底板進(jìn)行了相應(yīng)配筋。室地基的應(yīng)力量值總體較小，滿足地基承載力要求。

（3）從電站泄洪沖沙閘運(yùn)行期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，閘最大沉降量為3.8 cm，相鄰部位的最大沉降差為1.2 cm[12]，閘室底板無變形或開裂情況發(fā)生，滿足規(guī)范和水閘長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求。