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        基于ANSYS的某水庫(kù)軟土壩基穩(wěn)定性分析

        2020-06-12 08:11:46雙學(xué)珍于廣斌
        海河水利 2020年3期
        關(guān)鍵詞:壩段壩基主應(yīng)力

        雙學(xué)珍,于廣斌,李 楨

        (1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 崇州 611230;2.中國(guó)安能建設(shè)集團(tuán)有限公司第三工程局,四川 成都 610000)

        1 引言

        軟土地基是指地層中主要以軟土層為主且涵蓋了粉砂質(zhì)、泥質(zhì)黏土巖等組成的地基,軟土層常常較厚,達(dá)到幾十米以上[1]。面對(duì)軟土地基,水利工程建設(shè)常常較為棘手,大壩穩(wěn)定性受到威脅。鑒于此,當(dāng)水利工程中遇到大面積軟土地基時(shí),研究合理科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施具有重要的實(shí)際意義[2]。國(guó)內(nèi)外已有諸多學(xué)者研究過(guò)軟土地基處理方法,集中于換土墊層[3]、加筋土[4,5]、壓重臺(tái)法[6]、擠密砂樁[7]等手段,其中擠密砂樁技術(shù)愈來(lái)愈成熟,在水利工程領(lǐng)域應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。分析擠密砂樁處理軟土地基效果具有重要的實(shí)際工程意義,基于有限元軟件分析擠密砂樁復(fù)合地基穩(wěn)定性,為復(fù)合地基穩(wěn)定性研究提供重要的實(shí)際依據(jù)。

        2 工程概況

        2.1 工程基本情況

        某水庫(kù)工程位于長(zhǎng)江以南地區(qū),建設(shè)初期考慮防洪為主,后期修繕增加了農(nóng)田灌溉、蓄水等功能。水庫(kù)防洪庫(kù)容占比達(dá)到56.5%,水利灌溉庫(kù)容達(dá)到12.5%,總庫(kù)容約11.51 億m3,惠及農(nóng)田面積超過(guò)2.67 萬(wàn) hm2,供應(yīng)生活及工業(yè)用水超過(guò) 7 500 萬(wàn) m3。水庫(kù)大壩由混凝土壩與土壩混合組成,其中混凝土壩段長(zhǎng)約403.9 m、土壩段長(zhǎng)約3 101.6 m。壩頂高程達(dá)105.2 m,寬度為7.5 m,鋪設(shè)有瀝青混凝土。土壩3個(gè)階地壩段坡度分別為1/2.5、1/2.7、1/3,為保證壩體邊坡穩(wěn)定性,已采用混凝土護(hù)砌形式護(hù)坡,并在砌塊下鋪設(shè)有粒徑2~30 mm 的碎石墊層及0.2 m 厚中粗砂礫,且在上下游90 m處設(shè)置有擋土墻壓重臺(tái)。該工程按照1 000 a一遇洪水設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)水位為93.54 m,泄洪流量為12 010.5 m3/s,相應(yīng)庫(kù)容8.54 億m3。壩體心墻寬度為4.0 m,上下游坡度為1/0.5。

        2.2 工程地質(zhì)條件

        由于該水庫(kù)工程壩體以土壩段為主且土壩段穩(wěn)定性危險(xiǎn)較大,因而筆者重點(diǎn)對(duì)土壩段工程地質(zhì)情況介紹分析。

        (1)五里店丘陵壩段?;鶐r主要分為上下第三系兩個(gè)李家坡地質(zhì)組,兩者之間巖性呈角度不整合接觸,均為紫紅色黏土巖;不同的是下第三系李家坡組含有薄夾層,夾層內(nèi)含有砂礫質(zhì)巖性,上第三系李家坡組含泥質(zhì)成分較多。第四系土層中,主要為低塑限黏土層,半風(fēng)化,厚度為18.7~25.8 m。

        (2)二級(jí)階地壩段。屬于雙層巖土質(zhì)結(jié)構(gòu),上層為第四系河流沖積形成的河流相地貌,以風(fēng)化嚴(yán)重的紅色砂礫石為主,厚度為12~17.5 m;下層由砂巖與砂礫石組成,往南方向上顆粒逐漸變細(xì),但堆積厚度在逐漸增加。

        (3)一級(jí)階地壩段。呈明顯的巖石、土質(zhì)兩層。上覆土層為第四系沖積形成的低液限紅色黏土,厚度達(dá)到7~13 m,主要是上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)地層,在紅色黏土下部還有部分砂巖,并與下部變質(zhì)巖石呈不整合接觸,變質(zhì)巖呈灰黃或灰白色,厚度2~9 m。

        工程地質(zhì)勘察結(jié)果表明,該土壩段上覆土層軟土較多,可能造成不均勻沉降,影響壩基穩(wěn)定性;壩基下部巖土層主要為砂礫石,防滲性能較差,極易導(dǎo)致流砂、管涌、突涌等現(xiàn)象出現(xiàn)。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果顯示,一級(jí)階地壩段達(dá)中等嚴(yán)重級(jí)砂土液化,液化地層達(dá)8 m深,因而需要對(duì)該壩段液化砂土層做防液化處理。

        3 地基應(yīng)力變形計(jì)算分析

        工程地質(zhì)勘察結(jié)果表明,該水庫(kù)壩基存在穩(wěn)定性問(wèn)題,需要進(jìn)行地基處理。依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[8],采用擠密砂樁法處理壩體地基,可以增強(qiáng)壩基承載力,擠密砂樁為樁徑80 cm、邊長(zhǎng)3.5 m 的等邊三角形。這里,筆者分析采用擠密砂樁處理后的危險(xiǎn)斷面穩(wěn)定性,并依據(jù)不同工況計(jì)算出該斷面的應(yīng)力變形。

        3.1 參數(shù)選擇

        依據(jù)該水庫(kù)工程壩體結(jié)構(gòu)和壩基工程地質(zhì)剖面,基于ANAYS 數(shù)值模擬軟件建立三維有限元模型,如圖1所示。模型單元體為八節(jié)點(diǎn)六面體,共有20 368 個(gè)節(jié)點(diǎn)、18 527 個(gè)單元。土體強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則采用鄧肯EB模型,混凝土材料強(qiáng)度計(jì)算采用線彈性變形模型,壩基滲流計(jì)算采用基于Biot 固結(jié)理論滲流的計(jì)算方法。

        為了計(jì)算出壩基滲流穩(wěn)定性,需要確定壩基滲透系數(shù)。由于采用了擠密砂樁結(jié)合原狀土,所以該地基為復(fù)合地基,而確定復(fù)合地基滲透系數(shù)需要堅(jiān)持2個(gè)原則。

        (1)滲流方向?yàn)樗较驐l件下,復(fù)合地基滲透速度取決于擠密砂樁間土,因而復(fù)合地基滲透系數(shù)與樁間土滲透系數(shù)一致。

        (2)滲流方向?yàn)榇怪毕驐l件下,參照有關(guān)規(guī)范,復(fù)合地基滲透系數(shù)由下式計(jì)算可得:

        式中:Kc,Ks分別指擠密砂樁與樁間土的滲透系數(shù);n為復(fù)合地基置換率。

        在開(kāi)始有限元模型分析之前,通過(guò)室內(nèi)常規(guī)三軸試驗(yàn),獲得復(fù)合地基的變形參數(shù),其中混凝土彈性模量為25.5 GPa、泊松比為0.167,以線彈性變形模型為強(qiáng)度變形計(jì)算準(zhǔn)則,計(jì)算采用的參數(shù)詳見(jiàn)表1,為后文有限元分析計(jì)算提供依據(jù)。

        表1 土層計(jì)算模型選用參數(shù)

        3.2 壩基應(yīng)力變形分析

        根據(jù)工程地質(zhì)條件,選定壩基擠密砂樁處理的復(fù)合地基2+100、3+105號(hào)2個(gè)斷面進(jìn)行應(yīng)力變形分析,并依據(jù)不同工況條件計(jì)算出壩基應(yīng)力變形。

        3.2.1 竣工期應(yīng)力變形

        圖2 為2+100 號(hào)斷面竣工期位移、沉降量和應(yīng)力水平計(jì)算云圖,圖3為3+105號(hào)斷面竣工期位移、沉降量和應(yīng)力水平計(jì)算云圖。

        圖2 2+100號(hào)斷面竣工期位移、沉降量和應(yīng)力水平計(jì)算云圖

        圖3 3+105號(hào)斷面竣工期位移、沉降量和應(yīng)力水平計(jì)算云圖

        依據(jù)水平位移、沉降量及應(yīng)力水平,給出竣工期復(fù)合地基2+100、3+105號(hào)2個(gè)危險(xiǎn)斷面應(yīng)力變形特征最大值,詳見(jiàn)表2。結(jié)合2個(gè)斷面應(yīng)力水平與變形變化特征可知,竣工期復(fù)合地基最大沉降量位于2+100 號(hào)斷面;順下游方向,3+105 號(hào)斷面變形面積較大,但總變形量不及2+100號(hào)斷面;應(yīng)力影響范圍及量值均是2+100號(hào)斷面更強(qiáng)。

        表2 竣工期工況下2個(gè)斷面應(yīng)力變形特征極值

        圖4—5 為沿壩軸線方向的壩體水平位移和沉降量。從圖4—5可看出,隨著壩體軸線方向上巖土層不同,壩體沉降量逐漸發(fā)生明顯變化,但最終沉降量維持在0.23~0.44 m;各個(gè)壩段水平方向位移量受巖土層變化影響較小,僅僅在壩體軸線發(fā)生彎曲處水平位移量較大。

        圖4 沿壩軸線方向壩體水平位移

        圖5 沿壩軸線方向壩體沉降量

        依據(jù)竣工期完成的防滲墻,計(jì)算防滲墻斷面上最大、最小主應(yīng)力,如圖6所示。從圖6可看出,土壩段防滲墻最大主應(yīng)力均在0.5 MPa 以下,最小主應(yīng)力量值均大于0,并沒(méi)出現(xiàn)拉應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域。在混凝土壩段與土壩段連接處,防滲墻最大主應(yīng)力為整個(gè)壩體最大值,但量值仍在1 MPa以內(nèi),且出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)域較小。

        3.2.2 滿蓄期應(yīng)力變形

        圖7 為2+100 號(hào)斷面滿蓄期位移、沉降量和應(yīng)力水平計(jì)算云圖,圖8為3+105號(hào)斷面滿蓄期位移、沉降量和應(yīng)力水平計(jì)算云圖。

        圖6 防滲墻竣工期應(yīng)力變形云圖

        圖7 2+100號(hào)斷面滿蓄期位移、沉降量和應(yīng)力水平計(jì)算云圖

        表3 為水庫(kù)工程滿蓄期壩基2+100、3+105 號(hào)2個(gè)斷面應(yīng)力變形特征極值。最大沉降量依然是在2+100號(hào)斷面處,2+100號(hào)斷面順河向水平最大位移量比3+105號(hào)斷面提升了19%;2個(gè)斷面最小主應(yīng)力均出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)域,但是量值較小,以2+100號(hào)斷面最大。

        圖8 3+105號(hào)斷面滿蓄期位移、沉降量和應(yīng)力水平計(jì)算云圖

        表3 滿蓄期工況下2個(gè)斷面應(yīng)力變形特征極值

        圖9 沿壩軸線方向壩體水平位移

        圖10 沿壩軸線方向壩體沉降量

        圖9—10為沿壩軸線方向的壩體水平位移和沉降量。從圖9—10可看出,隨著壩軸線延伸,各個(gè)壩段巖土層不同,壩體水平位移量主要為0.02~0.06 m,其突變值與竣工期類似,主要發(fā)生在壩軸線彎曲處即不同壩段連接處;壩體沉降量為0.2~0.4 m,最大沉降量亦是出現(xiàn)在壩軸線彎曲處。

        圖11 防滲墻滿蓄期應(yīng)力變形云圖

        從圖11 可看出,相比竣工期,滿蓄期壩體防滲墻最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值增大較明顯,在壩基土層性質(zhì)突變段最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力最大,且相應(yīng)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力區(qū)域較大。

        3.2.3 計(jì)算結(jié)果歸納

        沿壩軸線方向上,受壩基土層差異性變化較大影響,各個(gè)壩段土層變形模量各異,壩體沉降量起伏變化明顯??⒐て谧畲蟪两盗繛?.478 m,出現(xiàn)在2+100 號(hào)斷面土層處;滿蓄期最大沉降量同樣出現(xiàn)在2+100 號(hào)斷面,但低于竣工期??⒐て陧樅酉驂误w最大水平位移值在下游,達(dá)0.148 m;滿蓄期順河向水平位移亦以下游位移為主,上游最大水平位移只有0.108 m。沿壩軸線方向上,竣工期與滿蓄期最大水平位移量近乎相等。從最大水平位移發(fā)生區(qū)域來(lái)看,竣工期與滿蓄期水平位移最大值分別出現(xiàn)在2+100、3+105 號(hào)斷面,其中 3+105 號(hào)斷面為土壩與混凝土壩連接處、2+100 號(hào)斷面主要為軟土層壩段。從防滲墻的應(yīng)力水平來(lái)看,整體量值均較小,大主應(yīng)力最大值在1 MPa以內(nèi),小主應(yīng)力出現(xiàn)的拉應(yīng)力值在0.1 MPa內(nèi)。壩體沉降和位移量極值,詳見(jiàn)表4。

        表4 壩體沉降和位移量極值

        基于有限元計(jì)算結(jié)果可知,最大順河向水平位移發(fā)生在2+100 號(hào)斷面,量值分別為0.148 m(竣工期)、0.178 m(滿蓄期)。壩體分別在2個(gè)工況下的沉降量和水平位移量計(jì)算結(jié)果,與壩體沉降極值和水平位移規(guī)范允許值比較符合壩體安全性要求。這表明采用擠密砂樁處理地基效果較好。

        4 結(jié)論

        依據(jù)水庫(kù)工程地質(zhì)勘察資料分析結(jié)果,采用擠密砂樁處理軟土層地基,并基于有限元分析方法獲得了兩種不同工況條件下壩體斷面應(yīng)力變形結(jié)果,有以下4點(diǎn)結(jié)論。

        (1)竣工期與滿蓄期最大沉降量均出現(xiàn)在2+100 號(hào)斷面處,竣工期工況下沉降量極值最大達(dá)0.521 m,滿蓄期最大沉降量極值為前者的81.6%。

        (2)竣工期和滿蓄期水平位移最大值分別出現(xiàn)在2+100、3+105 號(hào)斷面處;竣工期和滿蓄期最大水平位移均以下游壩體為主,竣工期最大水平位移量達(dá)0.148 m,滿蓄期上游最大水平位移量只有0.108 m。沿壩軸線方向上,竣工期和滿蓄期最大水平位移量近乎相等。

        (3)從防滲墻的應(yīng)力水平來(lái)看,整體量值均較小,大主應(yīng)力最大值在1 MPa以內(nèi),小主應(yīng)力出現(xiàn)的拉應(yīng)力值在0.1 MPa內(nèi)。

        (4)壩體沉降量和水平位移量計(jì)算結(jié)果與壩體沉降極值和水平位移規(guī)范允許值相比均在安全區(qū)間,滿足了設(shè)計(jì)要求,從而驗(yàn)證了采用擠密砂樁處理軟土地基的有效性。

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