白曉飛，陸 通，李 星，王紅雨，張廣招

（1.寧夏水利水電工程局有限公司，寧夏 銀川 750001；2.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

振動(dòng)碾壓是填筑土石堤壩、處理淺部地基的常用方法，對(duì)砂土、粉土和粉質(zhì)黏土等陸相沉積物碾壓效果較好。金書濱等[1]通過埋設(shè)土動(dòng)力盒對(duì)大噸位振動(dòng)壓路機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，并依據(jù)動(dòng)土應(yīng)力值的變化規(guī)律，給出了填石路基的最佳碾壓參數(shù)。夏玉云等[2]以吹填珊瑚砂為研究對(duì)象，開展了振動(dòng)碾壓對(duì)吹填珊瑚砂地基工程特性影響的試驗(yàn)研究，分析了不同碾壓遍數(shù)下吹填珊瑚砂地基的承載特性和評(píng)價(jià)方法。李澤闖等[3]利用土石路堤三維數(shù)值模型模擬了振動(dòng)荷載作用下的路堤動(dòng)力響應(yīng)，分析了振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)路基的壓實(shí)效果及影響深度。而土石壩填筑施工中，則普遍采用振動(dòng)碾壓機(jī)械設(shè)備壓實(shí)各類土料[4-6]。與此同時(shí)，振動(dòng)碾壓施工產(chǎn)生的動(dòng)力波引起周圍建筑物的損傷是土木與水利工程施工過程中遇到的一個(gè)普遍問題。陳愛軍等[7]通過測(cè)試不同碾壓工況下涵洞各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度，分析了涵洞各部位的振動(dòng)變化特性，研究了大功率振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)涵洞的影響。舒大強(qiáng)等[8]以三峽茅坪溪土石壩為研究對(duì)象，測(cè)試了壩體填筑碾壓振動(dòng)對(duì)瀝青混凝土防滲心墻的影響，認(rèn)為采用17.5 t的振動(dòng)碾壓實(shí)距離瀝青混凝土防滲心墻較遠(yuǎn)的壩殼砂礫料，采用2.7 t的振動(dòng)碾壓實(shí)距離瀝青混凝土防滲心墻較近的過渡料的施工方案，不會(huì)對(duì)瀝青混凝土防滲心墻造成損傷。但是，對(duì)于填筑土料的變化、施工方案的不同及碾壓機(jī)械性能的差異，還需要根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行有針對(duì)性的研究與分析。劉光明等[9]建立了三維數(shù)值模型，模擬分析了大寧水庫(kù)防滲墻隨回填施工過程的應(yīng)力及變形分布規(guī)律與特性，但該文獻(xiàn)未涉及回填施工機(jī)械特性以及臨近防滲墻的動(dòng)力響應(yīng)。碾壓振動(dòng)與強(qiáng)夯振動(dòng)不同[10]，對(duì)于采用混凝土墻防滲的土石壩而言，土壩填筑與塑性混凝土防滲心墻同時(shí)施工，填筑壩體碾壓振動(dòng)對(duì)施工期的混凝土防滲心墻的影響，還缺少系統(tǒng)、深入的理論與試驗(yàn)研究。

由黏性土料填筑的均質(zhì)壩的動(dòng)力傳播有別于以砂礫石為主的土石壩或以塊石料為主的堆石壩。本文以寧夏南部黃土丘陵山區(qū)的何家溝塑性混凝土防滲心墻均質(zhì)土壩為研究對(duì)象，根據(jù)該工程施工方案，建立數(shù)值模型，模擬計(jì)算了填筑土壩施工時(shí)碾壓振動(dòng)對(duì)塑性混凝土防滲心墻的影響規(guī)律，并與混凝土防滲心墻質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了相應(yīng)的施工建議。

1 何家溝水庫(kù)工程

1.1 工程概況

固原市何家溝黃河水調(diào)蓄工程是從固海擴(kuò)灌十二干渠中段南城拐子泵站處取水，利用固海擴(kuò)灌系統(tǒng)在灌溉低峰期蓄水、灌溉高峰期向灌區(qū)供水，旨在解決固原市原州區(qū)清水河河谷川地發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉的水資源配置工程，工程受水區(qū)為原州區(qū)黃鐸堡鎮(zhèn)、三營(yíng)鎮(zhèn)、頭營(yíng)鎮(zhèn)、彭堡鎮(zhèn)、中河鄉(xiāng)5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。何家溝水庫(kù)在原有的何家溝水庫(kù)庫(kù)址建設(shè)，新壩軸線位于老壩軸線上游110 m處，壩址以上集水面積10.9 km2，總庫(kù)容997萬m3，主要由主壩及入庫(kù)、出庫(kù)輸水建筑物組成。其中：主壩為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂軸線長(zhǎng)495 m，最大壩高64 m；進(jìn)水建筑物布置在左壩肩，總長(zhǎng)240 m，單跨長(zhǎng)度10 m，共24跨，總跌差46 m，設(shè)計(jì)比降1∶5；輸（泄）水建筑物主要由輸（泄）水塔、輸（泄）水隧洞、流量控制室、泄水管線及消能建筑物組成，采用有壓設(shè)計(jì)，圓形斷面，內(nèi)徑2 m，長(zhǎng)428 m；取水泵站及供水管道位于南城拐子泵站旁（東側(cè)），泵站設(shè)計(jì)流量3 m3/s，凈揚(yáng)程171.22 m，選配4臺(tái)機(jī)組，管道采用DN1 600 mm鋼管，總長(zhǎng)度5.4 km。

何家溝水庫(kù)壩頂高程1 754.0 m，壩體填筑總量為340萬m3。填筑土料源為水庫(kù)附近料場(chǎng)的粉質(zhì)黏性土（黃土），壩體回填土壓實(shí)度要求不小于0.98，壩頂寬8.0 m，分別在高程1 717.0，1 737.0 m的迎水坡面和背水坡面處各設(shè)置一級(jí)馬道，馬道寬度4.0m。迎水面壩坡坡比由上往下分別為1∶3.0，1∶3.25，1∶3.5，背水面壩坡坡比由上往下為1∶2.5，1∶2.75，1∶3.0。大壩防滲采用塑性混凝土防滲心墻，壩基樁號(hào)0+091.5～0+517.5段黃土層下部有9.5～15.0 m厚的新近系干河溝組（N2g）礫巖，屬于中等透水層，透水性指標(biāo)為13～55 Lu；以下為微風(fēng)化泥巖，透水性指標(biāo)為1.3～5.3 Lu，設(shè)計(jì)按5 Lu控制。混凝土防滲心墻最深47.10 m，平均25.18 m，墻厚0.6 m，防滲心墻總面積11 165.54 m2。設(shè)計(jì)指標(biāo)水力梯度J＞100，滲透系數(shù)K＜10 cm/s，28 d抗壓強(qiáng)度≥5.0 MPa，28 d彈性模量≤2.5×103MPa。槽孔孔位偏差控制在30 mm內(nèi)，孔斜率控制在40以內(nèi)。防滲心墻施工布置見圖1。

圖1 防滲心墻施工布置圖

1.2 壩體填筑和防滲心墻施工方案

土壩填筑施工的土料采用挖掘機(jī)在土料制備場(chǎng)裝料，20 t自卸汽車運(yùn)輸至作業(yè)面，采用進(jìn)占法卸料，推土機(jī)攤鋪、整平，20 t振動(dòng)碾壓實(shí)，碾壓方向與壩軸線平行，錯(cuò)距法碾壓。

混凝土防滲心墻施工的主要流程：C20混凝土導(dǎo)向墻施工，槽段劃分、泥漿固壁與槽段開挖，混凝土澆筑等施工過程（圖2）。

圖2 混凝土防滲心墻施工示意圖

由于該工程塑性防滲心墻強(qiáng)度低，振動(dòng)碾壓可能會(huì)影響臨近的防滲心墻施工質(zhì)量，引起心墻裂縫，破壞心墻防滲功能，造成水庫(kù)滲漏。因此，需要對(duì)振動(dòng)荷載下壩體及防滲心墻的受力特性進(jìn)行評(píng)估，這里采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析。

2 數(shù)值模型的建立

本文采用通用巖土有限元計(jì)算軟件Plaxis 2D，參考何家溝水庫(kù)實(shí)際施工組織設(shè)計(jì)方案，在壩體填筑至10 m時(shí)（2020年7月15日施工），對(duì)振動(dòng)碾壓荷載作用下防滲心墻的受力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析振動(dòng)碾壓荷載作用時(shí)，壩體位移、應(yīng)力的變化規(guī)律，數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

巖土體模型選取小應(yīng)變土體硬化模型（HSS模型），相比于摩爾-庫(kù)倫模型，該模型可以考慮土體在振動(dòng)荷載作用下的循環(huán)剪切特性、不可逆特性及能量耗散特性。為了模擬土體的阻尼特性，本模型利用瑞利阻尼系數(shù)來考慮土體由材料阻尼引起的阻力。對(duì)于在Plaxis 2D軟件的材料屬性中設(shè)定土體的瑞利阻尼系數(shù)，只需在材料數(shù)據(jù)組中設(shè)定目標(biāo)阻尼比ξ和目標(biāo)頻率f，軟件便會(huì)自動(dòng)計(jì)算瑞利阻尼系數(shù)Rayleighα和Rayleighβ。在軟件單自由度等效框中兩個(gè)目標(biāo)的參數(shù)ξ均為5%，目標(biāo)1和目標(biāo)2的頻率值設(shè)為9和11，計(jì)算出瑞利阻尼系數(shù)α和β值。巖土體材料見表1。

表1 巖土體材料力學(xué)參數(shù)

將混凝土防滲心墻簡(jiǎn)化為懸臂梁，底部固定，上部為自由端，采用Plaxis 2D軟件中的板單元對(duì)防滲心墻進(jìn)行模擬，材料模型為線彈性，具體參數(shù)取值見表2。

表2 混凝土防滲心墻參數(shù)

計(jì)算分4個(gè)階段，在分步施工模式中定義如下：

（1）初始階段：程序默認(rèn)在階段瀏覽器添加了初始階段，本模型使用默認(rèn)的設(shè)置。

（2）階段1：激活基礎(chǔ)，并激活分布荷載的靜力部分。

（3）階段2：施加垂直方向簡(jiǎn)諧波，振動(dòng)簡(jiǎn)諧波模擬頻率為50 Hz，振幅350 m/s2。總的時(shí)間間隔為0.2 s。

（4）階段3：取消振動(dòng)荷載作用，壩基及防滲心墻發(fā)生自由振動(dòng)。設(shè)置動(dòng)力時(shí)間間隔為0.2 s。在分步施工模式中凍結(jié)動(dòng)力荷載，但是靜力荷載仍然處于激活狀態(tài)。

由于土是半無限介質(zhì)，因此需要定義特殊的邊界條件。如果沒有這些特殊的邊界條件，振動(dòng)波將在模型邊界上發(fā)生反射，造成擾動(dòng)。為了避免這種不真實(shí)的反射，要在Xmin，Xmax，Ymin處指定黏性邊界。在模型瀏覽器的模型條件下的動(dòng)力子目錄中指定動(dòng)力邊界條件。

3 結(jié)果與分析

本節(jié)對(duì)振動(dòng)碾壓荷載作用下新填壩體和塑性混凝土防滲心墻進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分別從施加振動(dòng)荷載（靜壓+振動(dòng)碾壓，壩體及防滲心墻發(fā)生受迫振動(dòng)）和卸載振動(dòng)荷載（靜壓，壩體及防滲心墻發(fā)生自由振動(dòng)）進(jìn)行討論。

3.1 新填壩基變形特點(diǎn)

圖4為振動(dòng)荷載作用點(diǎn)處土體的加速度時(shí)程曲線圖。由圖4可知，其加速度與施加的振動(dòng)荷載變化趨勢(shì)一致，說明了所建模型的合理性。

圖4 加速度時(shí)程曲線圖

新填筑壩基位移場(chǎng)變化見圖5。由振動(dòng)荷載作用時(shí)位移場(chǎng)分布規(guī)律可知：施加碾壓機(jī)靜壓荷載時(shí)，壩基的位移呈現(xiàn)典型的凸型分布；隨著振動(dòng)荷載的施加，新填壩基呈現(xiàn)由荷載作用點(diǎn)向遠(yuǎn)處波形傳播，主要影響范圍為作用點(diǎn)到防滲心墻之間的這段范圍，防滲心墻背后范圍內(nèi)振動(dòng)荷載對(duì)壩體位移變化影響相對(duì)較?。环罎B心墻上部位移首先增加，由此可以推斷振動(dòng)荷載引起心墻振動(dòng)是從上部開始，逐漸向下部延伸，最后整個(gè)心墻發(fā)生振動(dòng)；振動(dòng)荷載卸載時(shí)新填筑壩基及防滲心墻發(fā)生振動(dòng)，各部分振動(dòng)位移發(fā)生衰減，且位移值均小于振動(dòng)荷載施加時(shí)的大小。

圖5 壩基總位移云圖

振動(dòng)加速度是振動(dòng)力變化的直觀體現(xiàn)。由圖6可知：振動(dòng)荷載加載時(shí)，振動(dòng)力呈弧形向右傳播，首先到達(dá)防滲心墻上部（圖6a），由于防滲心墻剛度大于土體的剛度，整個(gè)壩基在心墻部分發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象（圖6b）。心墻背后的振動(dòng)力相對(duì)較小，呈現(xiàn)波的形式向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，因此振動(dòng)碾壓荷載對(duì)心墻的影響不能忽略。

圖6 振動(dòng)荷載加載時(shí)壩基加速度變化云圖

3.2 防滲心墻受力分析

本節(jié)對(duì)防滲心墻受力特性進(jìn)行提取分析，分析結(jié)果見圖7～圖11。由圖7可知，振動(dòng)荷載剛加載時(shí)，心墻上部軸力為正值，下部為負(fù)值，說明振動(dòng)荷載剛加載時(shí)產(chǎn)生的縱波對(duì)心墻有明顯的擠壓作用，土體振動(dòng)密實(shí)后向下變形對(duì)防滲心墻產(chǎn)生了向下的負(fù)摩阻力。圖8為振動(dòng)荷載卸載時(shí)防滲心墻的軸力分布圖。由圖8可知：振動(dòng)荷載剛卸載時(shí)，整個(gè)心墻軸力的分布與加載結(jié)束時(shí)的分布相似，且剛卸載時(shí)的軸力值大于加載結(jié)束時(shí)的軸力值；t=0.30 s時(shí)，心墻的軸力分布與剛加載時(shí)的軸力分布相似，上端軸力為正值，下端軸力為負(fù)值；t=0.32 s時(shí)，心墻的軸力分布發(fā)生突變，整個(gè)心墻的軸力為負(fù)值，且在其下端出現(xiàn)極大值，隨后軸力逐漸減小，軸力分布和加載結(jié)束時(shí)相似，且軸力的極大值仍在心墻的下端。

圖7 振動(dòng)荷載加載時(shí)防滲心墻軸力分布圖

圖8 振動(dòng)荷載卸載時(shí)防滲心墻軸力分布圖

圖9為振動(dòng)荷載加載時(shí)混凝土防滲心墻剪力分布圖，圖10為振動(dòng)荷載卸載時(shí)防滲心墻的剪力分布圖。由圖9可知，振動(dòng)荷載加載時(shí)，首先心墻頂部產(chǎn)生正的剪力，底部產(chǎn)生較大的負(fù)剪力，說明振動(dòng)在橫向主要是面波，對(duì)心墻的上部有擠壓作用；t=0.10 s時(shí)，整個(gè)心墻的剪力分布發(fā)生突變，從上到下呈現(xiàn)左右交替的分布形式且在心墻下部出現(xiàn)極大值，隨后剪力逐漸減小趨于穩(wěn)定。由圖10可知，振動(dòng)荷載卸載時(shí)，剪力在一開始呈現(xiàn)左右交替分布的形式，且在心墻下端出現(xiàn)正的極大值2.396 kN，隨后剪力逐漸減小，且心墻下端剪力值變?yōu)樨?fù)的極大值-1.745 kN。

圖9 振動(dòng)荷載加載時(shí)防滲心墻剪力分布圖

圖10 振動(dòng)荷載卸載時(shí)防滲心墻剪力分布圖

振動(dòng)荷載加載和卸載時(shí)，防滲心墻彎矩分布規(guī)律如圖11～圖12所示。由圖11～圖12可知：t=0.02 s時(shí)，在心墻底部首先產(chǎn)生彎矩，隨后向上延伸，整個(gè)心墻分布著不同方向的彎矩，隨后彎矩逐漸增大，且在t=0.20 s時(shí)，達(dá)到負(fù)的極大值-0.855 4 kN·m；振動(dòng)荷載卸載時(shí)，心墻彎矩先減小再增大，且t=0.32 s時(shí)心墻的下端出現(xiàn)負(fù)的極大值-0.432 4 kN·m，該極值小于加載時(shí)的彎矩極值，隨后彎矩逐漸減小至穩(wěn)定分布，變化規(guī)律相較于加載時(shí)具有明顯的滯后性。

圖11 振動(dòng)荷載加載時(shí)防滲心墻彎矩分布圖

圖12 振動(dòng)荷載卸載時(shí)防滲心墻彎矩分布圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

施工期間，在土壩防滲心墻上下游1.5 m處5個(gè)斷面上安裝14套測(cè)壓管，監(jiān)測(cè)壩基防滲心墻滲流情況。測(cè)壓管水頭高度為0～23.46 m，月變化量為-1.05～1.99 m，施工期間未注水，土壩各斷面測(cè)壓管水頭壓力略有增加趨勢(shì)，但基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，樁號(hào)為0+290監(jiān)測(cè)斷面壩基測(cè)壓管監(jiān)測(cè)成果見表3、表4和圖13。施工結(jié)束后，委托第三方對(duì)樁號(hào)為0+368和0+388位置處的防滲心墻鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，樁號(hào)0+368的滲透系數(shù)檢測(cè)值為1.71×10-9m/d，樁號(hào)0+388的滲透系數(shù)檢測(cè)值為1.58×10-8m/d，均滿足設(shè)計(jì)要求。這表明施工單位制定的土壩填筑和混凝土防滲心墻的施工方案合理，施工質(zhì)量有保障。

表3 土壩0+290監(jiān)測(cè)斷面壩基測(cè)壓管監(jiān)測(cè)信息表

表4 土壩0+290監(jiān)測(cè)斷面壩基測(cè)壓管監(jiān)測(cè)成果表

圖13 土壩0+360監(jiān)測(cè)斷面壩基防滲心墻上下游滲壓計(jì)變化過程線

4 結(jié)論與建議

本文從振動(dòng)碾壓機(jī)械在土壩填筑時(shí)遇到的實(shí)際問題出發(fā)，對(duì)碾壓振動(dòng)荷載作用下塑性混凝土防滲心墻的受力狀態(tài)進(jìn)行了有限元數(shù)值計(jì)算，得到如下結(jié)論和建議。

（1）碾壓振動(dòng)波首先到達(dá)防滲墻上部，由于剛度的差異，防滲墻出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，防滲墻的頂部最先出現(xiàn)位移，然后逐漸向下部延伸。因此應(yīng)控制碾壓機(jī)械作業(yè)范圍與心墻的距離，計(jì)算結(jié)果顯示，10 m以外的距離為安全距離。安全距離以內(nèi)，建議采用靜壓或人工壓實(shí)的方法處理。

（2）振動(dòng)荷載作用時(shí)，首先在心墻底部產(chǎn)生彎矩，隨后向上延伸，整個(gè)心墻分布著不同方向交替的彎矩；振動(dòng)荷載卸載時(shí)，心墻彎矩先減小后逐漸增大，最后再減小，整個(gè)變化過程具有明顯的滯后性。建議在壩體碾壓時(shí)，增設(shè)振動(dòng)荷載作用的安全性評(píng)估，結(jié)合CT掃描技術(shù)重點(diǎn)檢測(cè)防滲心墻的底部和心墻的反彎點(diǎn)的變形特征。

（3）結(jié)合何家溝水庫(kù)具體施工情況，根據(jù)振動(dòng)速度衰減公式，可將防滲心墻的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)確定為1.0 cm/s，并選取0.85 cm/s作為預(yù)警值。當(dāng)振動(dòng)超過預(yù)警值時(shí)，應(yīng)及時(shí)分析振動(dòng)速度較大的原因，排除不安全因素，以確保施工過程中防滲心墻的安全。在壩體填筑區(qū)大面積振動(dòng)碾壓施工的過程中，還應(yīng)根據(jù)防滲心墻的振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果，合理調(diào)整碾壓設(shè)備型號(hào)，確保防滲心墻的安全。