楊 智，陳立寶

(1.四川省水利發(fā)展集團(tuán)有限公司，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610065)

1 概述

混凝土面板堆石壩發(fā)源于美國，至今有100多年歷史，其將常規(guī)土石壩可以就地取材、能適應(yīng)各種不同地形、地質(zhì)和氣候條件、施工效率高、抗震性能強(qiáng)的優(yōu)點與鋼筋混凝土材料良好的防滲性能結(jié)合而發(fā)展出的一種優(yōu)良的壩型。由于其對環(huán)境的適用性較強(qiáng)、可以就地取材、施工速度也比較快等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。

對于大多數(shù)混凝土面板堆石壩，選址建基在基巖上，技術(shù)難度較小。但隨著水利水電工程建設(shè)的發(fā)展，越來越多工程不可避免的遭遇到深厚覆蓋層基礎(chǔ)，將深厚覆蓋層清除的方案工程量及投資較大，而將混凝土面板堆石壩壩基置于處理后的深厚覆蓋層上技術(shù)經(jīng)濟(jì)上更優(yōu)。但覆蓋層對于大壩的面板和壩體也會有一定的影響，由于覆蓋層會產(chǎn)生較大的沉降值和不均勻沉降差，壩體變形以及變形過大可能引起的周邊縫等接縫張開和面板斷裂導(dǎo)致滲水，滲水會造成堆石體的不均勻沉降、壩體失穩(wěn)，因此對深厚覆蓋層基礎(chǔ)建面板堆石壩的應(yīng)力變形進(jìn)行研究是非常必要的。本文以最大壩高62.6m的面板堆石壩，建基在最大深度35m砂卵石覆蓋層基礎(chǔ)的某工程為例，建立有限元模型，對竣工期、滿蓄期的壩體壩基應(yīng)力、壩體壩基變形、混凝土面板應(yīng)力、混凝土面板變形、面板周邊縫與連接板接縫變形進(jìn)行分析，揭示出覆蓋層建面板堆石壩的應(yīng)力變形結(jié)果，為堆石壩預(yù)留壩頂沉降超高、止水設(shè)計等提供支撐，為今后的覆蓋層基礎(chǔ)建面板堆石壩提供實用參考和可靠的理論依據(jù)。

2 工程概況

該工程大壩壩頂寬10.0m，最大壩高62.6m，上游邊坡坡比1∶1.4，下游壩坡為1∶1.6；大壩上游澆筑C25鋼筋混凝土面板，面板厚度為400～600mm，壩體自上游向下游分為蓋重區(qū)及上游鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)。河床壩段建基在深厚砂卵石覆蓋層上，厚度15～29m，覆蓋層上部2.0m左右為松散結(jié)構(gòu)砂卵石層，下部砂卵石層結(jié)構(gòu)為稍密～密實，下伏玄武巖，基巖強(qiáng)風(fēng)化8～16m深。大壩面板防滲和基礎(chǔ)覆蓋層防滲墻通過水平連接板有效連接形成封閉的防滲體系。

3 壩基計算原理與計算方法

3.1 本構(gòu)模型

(1)筑壩料本構(gòu)模型：堆石料、砂礫石料、過渡料和墊層料等均采用非線性彈性模型，以鄧肯張E-B模型進(jìn)行模擬。

(2)混凝土本構(gòu)模型：混凝土面板、趾板、連接板及防滲墻混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用廣義虎克定律。

(3)面板與墊層接觸面：由于面板混凝土與墊層料的剛度差異較大，在一定的受力條件下有可能在兩者接觸面之間發(fā)生錯動滑移、開裂。為了反映面板與墊層之間的相互作用，在進(jìn)行有限元分析時必須考慮接觸特性，設(shè)置接觸面單元。目前常采用無厚度Goodman單元和薄層接觸單元等特殊單元來模擬接觸面之間的相互嵌入、脫離、相對位移等。本文分析采用古德曼(Goodman)無厚度接觸面單元。

(4)接縫單元：對面板與趾板、趾板與連接板、連接板與防滲墻的接縫材料采用連接單元模擬。

3.2 有限元模型

采用混凝土面板堆石壩最大橫斷面建立有限元模型。壩體與壩基結(jié)構(gòu)簡化后，分區(qū)如圖1所示，有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示，主體網(wǎng)格采用修正的六節(jié)點二階平面應(yīng)變?nèi)切螁卧狢PE6M(6-node modified quadratic plane strain triangle)，CPE6M是二階單元，既具有較好的網(wǎng)格剖分能力，又具有較高的計算精度。有限元模型坐標(biāo)系統(tǒng)為：x軸正向水平指向下游，y軸正向豎直向上

圖1 壩體結(jié)構(gòu)與材料分區(qū)

圖2 壩體壩基有限元網(wǎng)格

3.3 計算參數(shù)

根據(jù)壩址區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值，筑壩料鄧肯張E-B模型的計算參數(shù)見表1。面板與墊層之間的接觸面模型計算參數(shù)K1=4800，n=0.56，Rf=0.86，c=0，δ=11°。混凝土面板、趾板、連接板及防滲墻采用C25混凝土，其彈性模量為28GPa，泊松比為0.167。

3.4 分級加載過程

首先進(jìn)行覆蓋層和基巖的地應(yīng)力計算，并對其進(jìn)行地應(yīng)力平衡，即計算完成后將覆蓋層和基巖的位移清零，然后壩體填筑，壩體共分19層分層填筑到頂，壩體填筑到頂后進(jìn)行面板的施工，混凝土面板為1期澆筑，之后進(jìn)行水荷載的施加，蓄水分3級加荷。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 壩體壩基應(yīng)力和變形分析

由于基巖不是關(guān)注的重點，為了更清晰的反映壩體和覆蓋層壩基的應(yīng)力變形性態(tài)，本文只整理壩體和覆蓋層壩基的應(yīng)力變形成果。

計算結(jié)果：面板堆石壩壩體、覆蓋層基礎(chǔ)的大小主應(yīng)力、水平主應(yīng)力、水平和豎向變形在竣工期和滿蓄期工況下，計算結(jié)果見表2；竣工期和滿蓄期壩體和覆蓋層壩基大主應(yīng)力分布、豎向位移分布如圖3—4所示；竣工期和滿蓄期壩體和覆蓋層水平位移如圖5所示。

結(jié)果分析：

(1)應(yīng)力分析：竣工期、滿蓄期的壩體和覆蓋層壩基大、小主應(yīng)力等值線分布與壩體輪廓相似，表現(xiàn)為壩體中部偏大，靠近壩體和基礎(chǔ)邊緣位置應(yīng)力逐次減小，主要原因是竣工期受到壩體上部自重荷載和蓄水期上游水平和垂直水壓力的共同作用，內(nèi)部區(qū)域受壓較大。

表1 筑壩料鄧肯張E-B模型計算參數(shù)

表2 壩體、覆蓋層基礎(chǔ)的大小主應(yīng)力、水平應(yīng)力、水平和豎向變形計算結(jié)果匯總表

圖3 竣工期壩體和覆蓋層壩基大主應(yīng)力分布(MPa)、豎向位移分布(cm)圖

圖4 滿蓄期壩體和覆蓋層壩基大主應(yīng)力分布(MPa)、豎向位移分布(cm)圖

圖5 竣工期、滿蓄期壩體和覆蓋層壩基水平向位移分布(cm)

(2)竣工期和蓄水期壩體壩體和覆蓋層壩基抗剪強(qiáng)度有較高的安全儲備，壩體不會發(fā)生剪切破壞。滿蓄期壩體和覆蓋層壩基水平向位移整體朝向下游，向上游水平位移最大值減小為0.93cm，向下游水平位移最大值增加為16.75cm，主要是受到水平水壓力作用在上游壩面上造成。

(3)蓄水期豎向位移最大值為33.34cm，較竣工期均略有增加，主要是受到了蓄水后水平水壓力和豎向水壓力的共同作用，符合工程一般規(guī)律。同時豎向位移未超過為壩高的1/100(62cm)，符合SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，沉降值可在施工中壩頂預(yù)留沉降超高解決。

(4)壩體和覆蓋層的變形趨勢存在明顯的相互作用關(guān)系，受覆蓋層沉降變形的影響，壩體最大沉降區(qū)域偏向壩體底部，而覆蓋層地基受到上部壩體的荷載作用，與壩體變形趨勢一致且呈擠壓變形的趨勢。

4.2 滿蓄期混凝土面板應(yīng)力和變形分析

計算結(jié)果：混凝土面板應(yīng)力和變形計算結(jié)果見表3，滿蓄期混凝土面板的變形如圖6所示。

表3 混凝土面板水平變形計算結(jié)果匯總表

圖6 滿蓄期混凝土面板撓度分布(m)(右圖為放大100后的變形圖)

結(jié)果分析：

(1)滿蓄期混凝土面板順坡向應(yīng)力以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。滿蓄期混凝土面板順坡向壓應(yīng)力最大值為0.79MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在混凝土面板中部，拉應(yīng)力最大值為0.59MPa，出現(xiàn)在混凝土面板與趾板交接處附近，滿蓄期混凝土面板的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力極值均小于C25混凝土抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，面板不存在斷裂風(fēng)險。

(2)滿蓄期混凝土面板的撓度分布如圖6所示，撓度以垂直面板指向壩內(nèi)為正。由圖可見，滿蓄期，在水荷載的作用下，混凝土面板的撓度均垂直面板指向壩體內(nèi)部，最大值出現(xiàn)在混凝土面板的中部，最大值為12.2cm。為了進(jìn)一步反映蓄水后混凝土面板的變形形態(tài)，將滿蓄期混凝土面板的變形放大100倍，可見滿蓄期在水壓力的作用下，面板整體表現(xiàn)為向壩內(nèi)變形，中部變形較大，頂部和底部變形較小。

(3)雖本模型計算的混凝土面板的應(yīng)力未超標(biāo)，若類似工程計算拉應(yīng)力值超過了混凝土允許的抗拉強(qiáng)度，則可按《水工混凝土設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定對面板進(jìn)行應(yīng)力配筋，以抵抗出現(xiàn)的超標(biāo)拉應(yīng)力。

(4)從圖6可知，面板中部變形最嚴(yán)重，故對混凝土堆石壩面板設(shè)計時，應(yīng)重點考慮兩個方面。一是在變形嚴(yán)重的位置充分研究并設(shè)計止水結(jié)構(gòu)，保證止水結(jié)構(gòu)在面板計算擾度范圍內(nèi)不被破壞；二是充分考慮混凝土面板下的墊層和過渡層設(shè)計，提高其壓實度(相對密度)等要求，充分發(fā)揮下墊層料提供的支撐和彈抗作用，減小面板脫空風(fēng)險。

4.3 面板周邊縫與連接板接縫

滿蓄期混凝土面板與趾板間的周邊縫的沉陷(指的是與混凝土面板正交的法向相對變形)為11.6mm，壩基覆蓋層防滲墻與連接板接縫、連接板與趾板接縫在滿蓄期處于壓緊狀態(tài)，連接板與趾板接縫的沉陷(指的是與連接板正交的法向相對變形)較小，最大值約為2.0mm，防滲墻與連接板接縫的沉陷(指的是與連接板正交的法向相對變形)相對較大，最大沉陷為18.7mm，其主要原因是防滲墻位于基巖之上，其變形較小，而連接板位移覆蓋層上，其變形較大，因此防滲墻與連接板接縫的相對沉陷較大。故在設(shè)計中，應(yīng)對水平連接板與防滲墻頂部、水平連接板與混凝土趾板之間的止水結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須保證止水結(jié)構(gòu)適應(yīng)相應(yīng)的沉降變形量。

5 結(jié)語

本文的研究表明，堆石壩的壩體、覆蓋層基礎(chǔ)、面板的應(yīng)力和變形、面板周邊縫與連接板接縫計算結(jié)果符合工程一般規(guī)律，覆蓋層變形與壩體沉降變形存在明顯的相互作用關(guān)系。本文的研究成果對面板堆石壩防滲體系和止水結(jié)構(gòu)設(shè)計、面板結(jié)構(gòu)配筋、壩體填筑順序、設(shè)計預(yù)留沉降時間和預(yù)留沉降超高具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。但本文僅對70m以內(nèi)的壩高進(jìn)行了研究，對于在覆蓋層基礎(chǔ)上建高壩或者超高面板堆石壩，還有待以后更進(jìn)一步的作研究，以期研究成果能夠更好的用于工程實際。