周正軍，朱先文，韓 永，姜媛媛

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

堆石壩具有就地取材、對復(fù)雜地質(zhì)條件有良好的適應(yīng)性、施工方法簡單以及抗震性能好等優(yōu)點，是世界壩工建設(shè)中最為廣泛采用的壩型［1］。兩河口心墻堆石壩壩址附近主要為粉砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖以及變質(zhì)粉砂巖夾板巖，如何因地制宜地采用壩址區(qū)附近的堆石料是兩河口大壩筑壩需要考慮的問題。本文主要針對不同堆石分區(qū)方案進(jìn)行了數(shù)值計算分析，以期為大壩的分區(qū)及變形控制提供參考。

1 工程概況

兩河口水電站以發(fā)電為主，控制流域面積6.57萬km2，水庫正常蓄水位2 865 m，相應(yīng)庫容101.5億m3，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力，電站裝機(jī)容量300萬kW。

攔河大壩采用礫石土直心墻堆石壩，壩頂高程為2 875.00 m，最大壩高為295.00 m。壩頂寬度16 m，上游壩坡為1∶2，下游布置“之”字路，綜合坡比大于1∶1.9。防滲心墻頂寬6 m，底寬141 m，心墻料采用寬級配礫質(zhì)土。心墻與兩岸壩肩接觸部位的岸坡基巖表面設(shè)厚度為1 m的混凝土蓋板，蓋板與心墻連接處鋪設(shè)水平厚度4 m的接觸黏土。心墻上游設(shè)置兩層水平厚度為4 m的反濾層，下游設(shè)兩層水平厚度為6 m的反濾層，上下游坡比與心墻坡比相同，均取為1∶0.2。上下游反濾層與壩體堆石之間設(shè)置過渡層，上下游坡均為1∶0.4。過渡層外側(cè)為堆石區(qū)，堆石料主要采用粉砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖以及變質(zhì)粉砂巖夾板巖。

2 堆石分區(qū)的影響分析

2.1 材料參數(shù)

利用數(shù)值計算方法，采用鄧肯-張模型分析堆石分區(qū)對大壩應(yīng)力變形的影響。各分區(qū)填筑料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 堆石料高壓大三軸試驗E-B模型參數(shù)成果

2.2 堆石分區(qū)計算模型

壩殼堆石料一般遵循的分區(qū)設(shè)計原則為：壩頂部位、壩殼外部及下游壩殼底部、上游壩殼死水位以上為壩坡穩(wěn)定、壩體應(yīng)力變形、壩體透水性、抗震要求較高的關(guān)鍵部位，設(shè)置為堆石料Ⅰ區(qū)，采用具有較高強(qiáng)度指標(biāo)、透水性好的優(yōu)質(zhì)堆石料；其他部位對石料強(qiáng)度指標(biāo)及透水性要求可適當(dāng)降低，根據(jù)料源可設(shè)置為堆石料Ⅱ區(qū)。

為分析兩河口壩體堆石分區(qū)范圍對壩體應(yīng)力變形的影響，以基本方案為基礎(chǔ)（見圖1），考慮擴(kuò)大堆石Ⅱ區(qū)。其中，方案1中堆石范圍變化（見圖2）為：下游壩殼內(nèi)部高程2 630.00～2 803.00 m之間設(shè)置為堆石Ⅱ區(qū)，其外壩殼采用堆石Ⅰ區(qū)料填筑；方案2中堆石范圍變化（見圖3）為：上游壩殼內(nèi)部高程2 658～2 775 m之間增設(shè)堆石Ⅱ區(qū)，下游壩殼內(nèi)部高程2 630～2 775 m之間，設(shè)置為堆石Ⅱ區(qū)，其外壩殼采用堆石Ⅰ區(qū)料填筑。

圖1 堆石分區(qū)及計算模型網(wǎng)格（基本方案）

圖2 大壩結(jié)構(gòu)分區(qū)（方案2）

圖3 大壩結(jié)構(gòu)分區(qū)（方案3）

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 壩體變形規(guī)律

三種方案竣工期和蓄水期的沉降變形、水平變形規(guī)律均符合心墻堆石壩變形的一般規(guī)律。對比三種工況，整體上，最大沉降變形和最大水平變形在工況3最大；水荷載對大壩的水平變形影響顯著，其中工況3影響最明顯，其次是工況2。各工況最大變形值如表2所示。

表2 壩體最大變形值

心墻與堆石之間由于模量差異存在變形不協(xié)調(diào)的問題［2］。其中，由材料模量差異引起的心墻拱效應(yīng)是壩體變形控制所需關(guān)注的技術(shù)問題之一。圖4和圖5分別顯示了在施工填筑期和蓄水期三種工況的豎向壓力分布等值線。由圖4～5可知，在已有土石料填筑的基礎(chǔ)上，壩體心墻區(qū)存在拱效應(yīng)，填筑完成后三種工況的拱效應(yīng)系數(shù)比較接近，平均拱效應(yīng)系數(shù)約為0.78；在庫水作用下，此時最小拱效應(yīng)系數(shù)為0.67，出現(xiàn)在工況2中。文獻(xiàn)［3］指出，當(dāng)心墻承受的豎向壓力只有相鄰壩殼豎向應(yīng)力的20%～50%時，就有產(chǎn)生壩體橫向水平裂縫的風(fēng)險。由此可知，三種分區(qū)對心墻與堆石變形不協(xié)調(diào)都有較好的適應(yīng)性，其中，適當(dāng)采用堆石Ⅱ區(qū)有利于減小由于材料模量差異產(chǎn)生的心墻拱效應(yīng)。

圖4 竣工期壩體的豎向應(yīng)力分布

圖5 蓄水期壩體的豎向應(yīng)力分布

變形傾度可用來評價壩體整體的不均勻沉降情況［4］。由圖6～7可知，在三種方案中，壩體的不均勻沉降規(guī)律相似，最大不均勻沉降約為0.016～0.018，且位于壩體內(nèi)部。通過對比三種工況量值的發(fā)展可知，采用變形模量較大的巖體（方案1）堆石區(qū)的不均勻沉降要略小于其他兩個方案。在三個方案中，因為材料分區(qū)和水荷載產(chǎn)生的不均勻沉降均控制在合理范圍內(nèi)，不均勻沉降較大的區(qū)域未延伸至壩面。

圖6 竣工完成后壩體的變形傾度分布

圖7 蓄水完成后壩體的變形傾度分布

2.3.2 工程類比分析

世界各地已建成的幾座高心墻堆石壩蓄水后實測變形情況見表3。在壩體材料為線性彈性體的假設(shè)下，壩體的最大沉降變形與壩體高度的平方成正比［5-6］。因此，兩河口大壩的沉降變形是合理的。

表3 已建成的幾座高心墻堆石壩蓄水完成后的實測變形

3 結(jié)論和建議

本文利用數(shù)值分析計算了不同分區(qū)壩體的變形規(guī)律，相關(guān)結(jié)論和建議如下：

（1）數(shù)值計算結(jié)果表明，壩體的變形規(guī)律符合心墻堆石壩變形的一般規(guī)律，為減小因材料變形模量差異而產(chǎn)生的拱效應(yīng)，應(yīng)結(jié)合過渡分區(qū)進(jìn)行協(xié)調(diào)；壩體發(fā)生顯著不均勻沉降的位置位于壩體內(nèi)部，未發(fā)展至壩表面。

（2）兩河口心墻堆石壩應(yīng)力變形特性符合堆石料變形隨應(yīng)力增加平穩(wěn)過渡的一般規(guī)律，與國內(nèi)已建工程變形特性一致。

（3）由于高心墻堆石壩變形協(xié)調(diào)機(jī)理復(fù)雜，仍需結(jié)合其他設(shè)計措施和施工措施開展更深入和全面的分析。