田林鋼 張一鳴 李勇昌 侯勝超 張 揚(yáng) 黃云超

（1．華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2．黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450011）

0 引言

在混凝土面板堆石壩施工過程中，上游坡面擠壓邊墻技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，替代了傳統(tǒng)面板堆石壩上游坡面施工過程中的墊層料超填、削除多余坡面、修整坡面、坡面碾壓和坡面防護(hù)等工序，加快了施工速度，提高施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量[1]。

隨著擠壓邊墻技術(shù)的發(fā)展，羅先啟等人[2]結(jié)合水布埡面板堆石壩工程實例分析研究擠壓邊墻技術(shù)對面板的應(yīng)力-應(yīng)變影響；周偉等人[3]研究了擠壓邊墻對高面板堆石壩面板應(yīng)力影響及裂縫產(chǎn)生原因；彭兆軒等人[4]分別從壓力荷載情況擠壓邊墻的破碎機(jī)理進(jìn)行研究，證明了擠壓邊墻破壞逐漸增大的連續(xù)性。關(guān)于擠壓邊墻對面板應(yīng)力應(yīng)變的研究已取得一批具有重要理論價值和實際意義的成果，但擠壓邊墻對填筑料所造成的應(yīng)力應(yīng)變影響研究甚少。鑒于擠壓邊墻材料的強(qiáng)度低及施工環(huán)境的復(fù)雜性，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)擠壓邊墻開裂、破碎或脫落的情況，因此擠壓邊墻破壞對填筑料的位移及應(yīng)力分析研究，對保障大壩施工安全，保證面板施工質(zhì)量很有必要。

1 工程概況及存在問題

新疆某水庫工程位于新疆昌吉自治州白楊河流域，總庫容2130萬m3，調(diào)節(jié)庫容1890萬m3。上水庫壩體為混凝土面板堆石壩，最大壩高60 m，壩頂寬度10 m，壩頂長度210m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.5，從上游到下游依次分為4個主要填筑區(qū)，分別為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)。

面板堆石壩填筑采用擠壓邊墻技術(shù)，由于新疆地區(qū)天氣寒冷，晝夜溫差大，而擠壓邊墻所采用的低強(qiáng)度混凝土，使擠壓邊墻難以達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度，混凝土中的水易結(jié)冰，進(jìn)而造成混凝土產(chǎn)生凍脹應(yīng)力和溫度應(yīng)力，導(dǎo)致擠壓邊墻出現(xiàn)裂縫破壞、脫落及低強(qiáng)的現(xiàn)象，使其失去原有功能，進(jìn)而可能影響堆石壩的填筑質(zhì)量及后期面板的施工質(zhì)量。

2 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

2.1 堆石料本構(gòu)模型

目前，國內(nèi)外混凝土面板堆石壩的有限元分析中，堆石料的本構(gòu)模型主要采用2種類型：非線性彈性模型和彈塑性模型。因為堆石料的顆粒體結(jié)構(gòu)變形非完全為彈性特性，而是具有典型的彈塑性特性，所以對面板堆石壩的模型構(gòu)建，可以選用鄧肯提出的增量彈性模型擬合黏性土和砂性土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。鄧肯E?B模型計算所得的壩體水平位移及沉降量較堆石壩實際值更大，作為工程設(shè)計的依據(jù)是偏安全的，因此更具應(yīng)用價值[5]。

鄧肯E?B模型的切線彈性模型的表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：（σ1-σ3）為主應(yīng)力差；K、n為無因次基數(shù)和無因次指數(shù)，是決定土質(zhì)的試驗常數(shù)；Pa為大氣壓強(qiáng)；c為土體的黏聚力；φ為土體的內(nèi)摩擦角；R?為破壞比。

式中：B為體積模量；E為切線模量；ν為泊松比。

式中：Pα為大氣壓力，MPa；Kb為體積模量；m為體積模量無因次指數(shù)。

GeoStudio軟件SIGMA/W基于小應(yīng)變理論的計算原理如公式（4）所示。

式中：[K]為系統(tǒng)剛度或特殊矩陣；{Δd}為增量位移；{ΔF}為增量力。

2.2 面板堆石壩施工過程模擬

根據(jù)鄧肯模型，不同主應(yīng)力條件下對應(yīng)不同的彈性模量，應(yīng)力計算前需要確定加載前初始應(yīng)力狀態(tài)，且不同高層填筑料的加載有不同的影響。相比于實際施工中每層填筑料填筑完成后頂面形成的“自由面”，有限元分析中填筑層的頂部存在應(yīng)力和應(yīng)變，因此必須考慮在每層填筑結(jié)束時對該填筑層的頂部應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行調(diào)整。

面板堆石壩填筑過程中，通常采用薄層分層填筑后碾壓。該工程通過填筑碾壓試驗，主堆石區(qū)和次堆石區(qū)每層填筑厚度控制在40 cm。在仿真模擬中，模仿實際施工過程，首先加載單層擠壓邊墻作為邊界條件，然后加載40 cm填壩料，壩體填筑分150次逐層加載。為簡化計算，軟件加載5層為一步，分30步進(jìn)行逐層加載至60 m壩頂高程，每層加載的填壩料為碾壓后的密度及彈性模量，計算荷載包括擠壓邊墻及填筑料自重，上下游按無水考慮。仿真模擬采用分級逐步加載的方式，盡可能地還原真實的施工場景。

2.3 計算模型及參數(shù)

根據(jù)實際工程概況建立面板堆石壩有限元模型，模型X軸為順河向，指向下游為正，從左往右依次為趾板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)以及次堆石區(qū)。Y軸為高程，向上為正，從下向上依次為覆蓋層、主堆石區(qū)、過渡區(qū)、墊層區(qū)。堆石壩各分區(qū)堆石料鄧肯E?Β模型參數(shù)見表1，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，計算參數(shù)見表2。

表1 堆石體Duncan-chang E-B模型參數(shù)

表2 混凝土結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

壩體最大壩高60m，壩頂寬度10m，墊層料及過渡料水平長度為3m，擠壓邊墻高度為0.4m，擠壓邊墻迎水面坡度為1∶1.4，下游坡度為8∶1。

模型選擇最大壩高剖面進(jìn)行計算，剖面劃分網(wǎng)格總數(shù)為44568個，采用四邊形網(wǎng)格和少量多邊形網(wǎng)格。壩體有限元計算的邊界條件為限制覆蓋層底面XY方向的約束以及覆蓋層兩側(cè)X軸方向上的約束，壩料填筑每層填筑料之間定義為接觸面，此后每層填筑料逐次加載至該層設(shè)計高程。

2.4 計算工況分析

因擠壓邊墻破壞包括脹裂、擠壓破壞以及低強(qiáng)破壞等情況，比較復(fù)雜，擠壓邊墻在完全破碎的情況下，會成為墊層料的一部分，失去邊墻混凝土原有的彈性模量，可以假定擠壓邊墻在未完全破壞的情況下，剩余一半的彈性模量，并分別通過以下的工況進(jìn)行計算：1）工況1。擠壓邊墻未發(fā)生破壞，壩體順利完成填筑。2）工況2。大壩填筑到第10層（4m高程）時，趾板上方第1～5層擠壓邊墻破壞，并在已破壞的情況下，壩體繼續(xù)填筑到壩頂高程。

工況1作為工況2的對比，工況2根據(jù)最不利情況計算原則，選擇1～5層擠壓邊墻破壞進(jìn)行模擬，與上層的擠壓邊墻相比，底層邊墻承受更大的壓應(yīng)力以及水平方向的推力，更容易遭到破壞。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 壩體整體變形計算模擬成果與分析

大壩填筑完成后整體模擬計算結(jié)果見表3。

表3 壩體應(yīng)力及位移計算成果

大壩填筑完成后，根據(jù)《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)規(guī)范DLT 5297—2013》，壩體沉降會產(chǎn)生上游坡面的盈虧現(xiàn)象，擠壓邊墻施工放線，可以按照設(shè)計提供的壩體某一高程可能發(fā)生的變形量修正坡面盈虧值，設(shè)計未提供盈虧修正的可參照同類型工程予以經(jīng)驗修正。在面板施工前，例如公伯峽壩體上游坡面監(jiān)測產(chǎn)生盈虧為-30 mm～+50 mm；積石峽電站上游坡面監(jiān)測結(jié)果盈虧為-40 mm～+40 mm。對比該項目大壩上游面在擠壓邊墻未破壞的情況最大盈虧為46 mm，在擠壓邊墻破壞的情況下上游面最大盈虧為46.1 mm，可知擠壓邊墻破壞對壩體上游面盈虧影響不明顯；邊墻破壞對壩體最大沉降量及壩體內(nèi)部最大總應(yīng)力影響不明顯。

3.2 擠壓邊墻破壞處變形計算模擬結(jié)果與分析

采用鄧肯E?Β模型對面板堆石壩施工期壩體填筑進(jìn)行有限元分析計算，計算整理所得成果如圖1～圖3所示。擠壓邊墻破壞層附近墊層料位移及應(yīng)力計算成果見表4。

圖1 壩體填筑完成水平方向位移圖

由圖1和圖2可以看出，擠壓邊墻破壞處局部墊層料向上游面水平位移增加，沉降量增大，已破損擠壓邊墻底部墊層料沉降量減少；將工況1與工況2進(jìn)行對比，擠壓邊墻破壞對面板堆石壩填筑料整體水平位移及壩體沉降量影響不大。

圖2 壩體填筑完成后壩體沉降圖

由圖3可以看出，擠壓邊墻破壞處，墊層料受力增大且應(yīng)力分布不均勻；將工況1與工況2進(jìn)行對比，擠壓邊墻破壞對面板堆石壩填筑料總應(yīng)力影響不大。

圖3 壩體填筑完成后最大總應(yīng)力圖

由表4可知，面板堆石壩施工期壩體填筑期間，在擠壓邊墻破壞的情況下，破壞部分?jǐn)D壓邊墻附近的墊層料有向上游移動的趨勢，并且局部墊層料及下層墊層料總應(yīng)力變大，邊墻破壞部位局部墊層料的總應(yīng)力是未破壞時應(yīng)力的2倍，但仍低于卸荷模量1860 kPa；擠壓邊墻破壞層墊層料向上游面最大位移為1.602 cm，低于上游面最大位移4.6 cm，且在規(guī)范規(guī)定的上游坡面盈虧范圍內(nèi)；破壞層的沉降量變化不明顯。而擠壓邊墻破壞層上層墊層料的最大總應(yīng)力變小，且隨著壩體填筑高度的升高有持續(xù)變小的趨勢。

表4 擠壓邊墻破壞層附近墊層料位移及應(yīng)力計算成果

由局部墊層料位移及應(yīng)力變化得出，擠壓邊墻與墊層料之間的相互作用比較復(fù)雜，擠壓邊墻的彈性模量大于墊層料，在擠壓邊墻完整的情況下，相當(dāng)于一個柔性的薄層結(jié)構(gòu)鋪設(shè)于壩體的上游面，對上游坡面產(chǎn)生的壓力有利于上游坡面的穩(wěn)定。擠壓邊墻與墊層料之間的相互作用比較復(fù)雜，當(dāng)某個部位的擠壓邊墻破壞后，對邊墻整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布造成影響，導(dǎo)致上游坡面墊層料應(yīng)力分布不均勻。其次，擠壓邊墻作為連續(xù)接觸的剛性結(jié)構(gòu)，在壩體上游面填筑料出現(xiàn)沉降的情況下，擠壓邊墻之間呈現(xiàn)出拱的支撐效應(yīng)，因此未破壞的擠壓邊墻踵端與墊層料接觸的地方出現(xiàn)應(yīng)力減少的情況。

對已破壞擠壓邊墻上、下層邊墻附近墊層料進(jìn)行應(yīng)力分析可知，擠壓邊墻破壞后，上層邊墻附近的墊層料總應(yīng)力減少，下層墊層料總應(yīng)力變大，初步分析為擠壓邊墻破壞后，邊墻破壞層附近的填筑料橫向位移增大，縱向位移減少，沉降量減少，水平位移量增大。上層邊墻附近的填筑料有往破壞邊墻移動的趨勢。因此擠壓邊墻破壞后，對上層邊墻附近的填筑料不利，但對已破壞邊墻附近的墊層料及下層墊層料具有壓實作用，因此破壞后可能會造成已破壞邊墻上層附近墊層料應(yīng)力減小，沉降量變大，導(dǎo)致已破壞邊墻上層邊墻附近墊層料不密實，甚至造成邊墻后脫空現(xiàn)象。

4 擠壓邊墻修復(fù)技術(shù)

低面板堆石壩施工期擠壓邊墻破損對填筑質(zhì)量的影響不大，但是會導(dǎo)致上游坡面墊層料的位移及應(yīng)力分布不均勻，進(jìn)而影響混凝土面板施工的質(zhì)量及后期壩體蓄水后的滲流穩(wěn)定行。因此一旦出現(xiàn)擠壓邊墻破壞的現(xiàn)象，需要及時進(jìn)行安全監(jiān)測，如果上游面出現(xiàn)較大的盈虧，就要立刻進(jìn)行邊墻拆除、坡面碾壓和邊墻修補(bǔ)。

首先要對破碎的擠壓邊墻進(jìn)行拆除，應(yīng)采用人工鑿除或小型機(jī)械等措施，鑿除范圍包括擠壓邊墻破損部位以及上層擠壓邊墻；邊墻拆除后采用小型坡面碾壓設(shè)備，對上游坡面墊層料進(jìn)行二次碾壓，通過碾壓后的質(zhì)量推斷是否需要繼續(xù)拆除上層邊墻進(jìn)行修復(fù)；確保上游坡面墊層料應(yīng)力滿足設(shè)計要求后，采用相同型號的預(yù)制混凝土擠壓邊墻放入拆除的部位，與原擠壓邊墻接觸面鑿毛處理，采用相同型號的水泥砂漿固結(jié)；施工過程要確保修復(fù)后的擠壓邊墻水平方向、坡面方向與壩面整體一致；最后進(jìn)行擠壓邊墻后的灌漿處理，須采用粒徑較大的豆礫石混凝土進(jìn)行灌漿，灌漿壓力不應(yīng)大于1 kPa。

5 結(jié)論

綜上所述，得出以下3個結(jié)論：1）對低面板堆石壩，擠壓邊墻局部破壞對壩體填筑質(zhì)量影響不大，對最終壩體沉降量、最大應(yīng)力及上、下游坡面最大位移影響不大。2）擠壓邊墻作為一種柔性的薄層結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)在保持穩(wěn)定的情況下，有利于上游坡面墊層料的位移及應(yīng)力分布均勻；如果局部出現(xiàn)損壞，整體結(jié)構(gòu)受到影響，會導(dǎo)致上游坡面墊層料位移及應(yīng)力分布不均勻，影響后期混凝土面板的施工質(zhì)量。3）如果擠壓邊墻破碎部位出現(xiàn)較大位移要及時進(jìn)行修補(bǔ)，同時需要對破損部位周邊的填筑料進(jìn)行質(zhì)量檢測，對不合格的填筑料進(jìn)行二次碾壓。