左永振,陳 良,徐 晗,李 波,陳勁松

(1.長江水利委員會長江科學(xué)院,湖北 武漢 430010;2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司,廣西 桂平 537200)

大藤峽水利樞紐工程位于珠江水系西江流域黔江干流上,為紅水河梯級規(guī)劃中最末一個梯級,是以防洪、航運、發(fā)電、補水壓咸、灌溉等綜合利用的流域關(guān)鍵性工程[1-3]。大藤峽水利樞紐施工導(dǎo)流采用二期導(dǎo)流方式[4],一期導(dǎo)流先圍左岸,江水由束窄后的右岸河床過流,左岸主體工程建成后再實施二期大江截流,在二期施工導(dǎo)流期間,為獲得工程前期經(jīng)濟效益和施工期通航要求,需要利用二期上游圍堰擋水,滿足施工期首批機組發(fā)電和施工期永久船閘通航的要求;根據(jù)施工進度安排,二期圍堰擋水歷時30多個月。

土石圍堰是水利水電工程使用中廣泛采用的圍堰型式,能適應(yīng)不同的地質(zhì)條件并充分利用開挖棄渣,便于機械化施工。圍堰防滲措施種類有很多,其結(jié)構(gòu)形式大體分為兩類,一類是土質(zhì)防滲體,在水中拋填成心墻,水上干地填筑;另一類是水下堰體和基礎(chǔ)用垂直的造孔防滲墻,水上堰體為土質(zhì)防滲體或其他防滲結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)建成的土石圍堰高度超過50 m的比較多,如:雙江口上游圍堰[5],圍堰高56 m,防滲體采用單排1.0 m厚混凝土防滲墻;大崗山上游圍堰[6],高53.5 m,防滲體采用0.8 m厚混凝土防滲墻上接土工膜斜墻;梨園上游圍堰[7],高65.5 m,防滲體采用0.8 m厚混凝土防滲墻上接土工膜;向家壩二期上游圍堰[8],堰高59.0 m,防滲體采用0.8 m厚混凝土防滲墻上接土工膜心墻;三峽二期圍堰[9],堰高82.5 m,最大擋水水深79 m,采用1.0 m厚兩道防滲墻上接土工膜心墻;葛洲壩二期圍堰[10],最大堰高50 m,全斷面采用兩道混凝土防滲墻。上述圍堰中大部分圍堰僅洪水時段需要高水位擋水運行,其他時段均可在低水位擋水運行。

大藤峽二期圍堰需要經(jīng)歷2個汛期并擋水發(fā)電,雖然是臨時建筑物,但攔蓄總庫容達到16.94億m3,按水利水電工程分等指標(biāo),其工程規(guī)模達到大(1)型,因此二期土石圍堰的設(shè)計是大藤峽水利樞紐工程的重大關(guān)鍵技術(shù)之一,為保障二期深水圍堰工程安全,針對二期深水圍堰結(jié)構(gòu)和滲控安全性進行了論證研究。

1 大藤峽二期圍堰的特點

大藤峽二期圍堰特定的工程性質(zhì)和所承擔(dān)的任務(wù),決定了它的技術(shù)難度,其主要技術(shù)特點如下。

a)二期圍堰填筑工程量大,二期上下游橫向土石圍堰總長約780 m,圍堰最大高度50.30 m,土石方總填筑量223×104m3,混凝土防滲墻1.34×104m2,工程規(guī)模在國內(nèi)同類工程中居于前列[11]。并且施工工期短,二期圍堰要在一個枯水期內(nèi)完成全部施工,施工強度大。

b)圍堰長期高水位擋水國內(nèi)罕見,攔蓄庫容大,攔蓄庫容16.94億m3,保護下游重要防洪城市,安全穩(wěn)定性要求高,圍堰結(jié)構(gòu)須保證長期高水位運行安全。為滿足通航、發(fā)電水位要求,圍堰需持續(xù)高水位擋水,最大擋水水深48.8 m,并經(jīng)歷2個汛期擋水發(fā)電,在國內(nèi)同類工程中罕見。

c)圍堰由擋枯水期堰體及上部加高堰體組成,擋枯水期堰體需要在水下拋填填筑施工,拋填最大設(shè)計水深約26 m,防滲結(jié)構(gòu)采用單排塑性混凝土防滲墻型式。圍堰水下拋填最大深度約26 m,堰體61%為直接水下拋填施工,水下拋填形成堰體的過程非常復(fù)雜,堰體密度的影響因素較多,對圍堰安全運行造成不利影響,對圍堰斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高要求。

d)圍堰范圍內(nèi)基巖巖性主要有砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖等,多為全風(fēng)化—強風(fēng)化狀態(tài),巖體側(cè)向順層風(fēng)化嚴重[12],并為全風(fēng)化巖體與弱風(fēng)化巖體互層。為充分利用工程開挖棄料,包括黏土、石渣、塊石料等均是圍堰填料,填料性質(zhì)雜亂,嚴重制約了圍堰斷面結(jié)構(gòu)形式。

2 主要研究方法

二期土石圍堰的安全性主要取決于其防滲體系的安全性。二期土石圍堰防滲型式為混凝土防滲墻上接黏土心墻防滲,堰體水下部分主要由開挖石渣料及砂礫料水中拋填形成,并在拋填體中成槽澆筑塑性混凝土防滲墻,水上部分接碾壓黏土心墻及石渣料等堰體?；炷练罎B墻安全性取決于堰體材料的物理力學(xué)特性。采用室內(nèi)堰體與防滲墻特性參數(shù)試驗、數(shù)值模擬對比分析相結(jié)合的方法進行研究,最后提出合理的結(jié)構(gòu)型式。

主要開展的工作包括:拋填料的水下密度休止角試驗,拋填料與碾壓料的力學(xué)特性試驗,圍堰整體離心模型試驗,塑性混凝土配合比設(shè)計,圍堰應(yīng)力變形計算,滲透穩(wěn)定性分析,斷面優(yōu)化設(shè)計等內(nèi)容。研究的技術(shù)路線見圖1。

圖1 研究的技術(shù)路線

3 填料工程特性試驗

圍堰填料主要開展了3方面的研究:拋填料的水下拋填密度及水下坡角的離心模型試驗;堰體填筑料工程特性及其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系;堰體填筑料與塑性混凝土防滲墻接觸特性。

3.1 拋填料的水下拋填密度與休止角

水下拋填是圍堰工程常用的施工方式,塊石、砂、砂礫石及石渣料等散粒料常被用作拋填料[13]。由于堰體是在水下拋填的,不像在陸地上可以控制壓實密度,拋填的堰體到底能夠形成多大的密度在設(shè)計中是關(guān)注的重點[14]。離心機模擬技術(shù)可以較好地解決這一難題,其原理是:將縮小尺寸的模型置于高速轉(zhuǎn)動的離心機中,借助離心加速度來補償因幾何尺寸縮小引起的自重應(yīng)力損失,能使模型的自重應(yīng)力場與原型一致[15]。

大藤峽二期圍堰拋填料來源復(fù)雜,為此開展了5種材料的離心模型試驗,試樣的最大粒徑為20 mm,在模型箱上部堆填樣品,當(dāng)離心加速度逐級增大至設(shè)計加速度70g時,啟動電動提升裝置,將模型箱中部隔板拉出,隔板上部填料拋填至模型箱下部的水中。試驗成果見表1。

表1 加速度70g條件下的水下拋填密度試驗成果

材料類型和級配對水下拋填密度影響比較顯著,拋填料一般可以達到稍密—中密狀態(tài),當(dāng)?shù)[石磨圓度較高、級配較優(yōu)下可以達到密實狀態(tài)。離心模型試驗確定的水下拋填密度和休止角成果,為斷面優(yōu)化設(shè)計提供了試驗依據(jù)。

3.2 拋填料與碾壓料的力學(xué)特性

拋填料和碾壓料進行了三軸剪切、壓縮、滲透變形等力學(xué)試驗,拋填料的試驗密度采用離心試驗確定的相對密度,計算最大粒徑60 mm所對應(yīng)的干密度,碾壓料為設(shè)計孔隙率對應(yīng)的干密度。

拋填料和碾壓料的三軸剪切試驗,試樣尺寸φ300×H600 mm,試驗周圍壓力為0.2、0.4、0.6、0.8 MPa,為飽和固結(jié)排水剪切試驗。表2給出了經(jīng)試驗得到的E—B模型參數(shù)。

表2 填筑料E—B模型參數(shù)成果

相同樣品,碾壓料的干密度提高后,非線性抗剪強度指標(biāo)和E—B模型參數(shù)均有一定的提高。

3.3 填筑料與塑性混凝土接觸特性

填料與塑性混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)界面的接觸面問題,涉及到非線性、大變形、局部不連續(xù)等力學(xué)前沿問題,是土體與結(jié)構(gòu)物相互作用研究的核心課題之一。依據(jù)經(jīng)驗,在防滲墻與堰體材料間有一層泥皮,這層泥皮作用很大,因此在試驗中考慮了無泥皮工況和有泥皮工況(厚度為3.0 cm)。

試驗采用大型疊環(huán)式剪切儀,上下盒樣品尺寸長寬高均為600 mm×600 mm×300 mm,下盒中放置塑性混凝土,上盒中充填砂礫石料,分別在100、200、400、600 kPa的法向壓力下固結(jié),然后采用0.5 mm/min的剪切速率進行剪切。

2種接觸面材料的試驗曲線見圖2,無泥皮時接觸面應(yīng)力隨著剪切位移的增加逐漸變大,接觸面剪應(yīng)力與位移呈現(xiàn)出很好的雙曲線關(guān)系;有泥皮時接觸面剪應(yīng)力與剪切位移呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變軟化特性。按Duncan非線性彈性本構(gòu)模型整理的模型參數(shù)見表3。

表3 接觸面參數(shù)試驗成果

a)無泥皮剪應(yīng)力-剪切位移

4 塑性混凝土防滲墻材料試驗

塑性混凝土防滲墻具有較低的彈性模量、較低的模強比和較大的極限應(yīng)變,其初始模量不隨圍壓的加大而增大,具有與土料相似的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和破壞型式,具有良好的抗?jié)B性和耐久性。因此,塑性混凝土防滲墻在國內(nèi)外的水利工程中運用非常廣泛,如三峽二期圍堰[17]。

塑性混凝土的配合比是指單位體積中各種原材料的用量,其中原材料中干料(水泥、黏土/膨潤土、骨料)是控制力學(xué)參數(shù)的關(guān)鍵因素。本次試驗采用工程類比法,結(jié)合工程經(jīng)驗,初步推薦各原材料的用量范圍:水泥用量在120～200 kg/m3,黏土+膨潤土用量在60～200 kg/m3,骨料用量在1 540～1 740 kg/m3,砂率為80%,減水劑添加量均為水泥用量的6‰,共設(shè)計了22組配合比。

大藤峽現(xiàn)場有大量的低液限黏土,其液限38.0%,塑性16.7%,塑性指數(shù)21.3%,性能較優(yōu),試驗中進行了膨潤土和黏土的摻量對比,經(jīng)優(yōu)選后推薦的是單摻黏土方案,有效降低了工程造價。

參考三峽二期圍堰等工程中塑性混凝土配合比的工程經(jīng)驗[18],本次采用的優(yōu)選配合比標(biāo)準(zhǔn)為:塑性混凝土抗壓強度不小于2.5 MPa,模量不大于625 MPa,模強比小于250。經(jīng)拌合物性能、抗壓強度、彈性模量等,確定的優(yōu)選配合比成果見表4,其中S13和S17是最優(yōu)配合比成果,S3和S10是結(jié)合施工實際需要選定的高強度配合比成果。

表4 優(yōu)選配合比

按優(yōu)選配合比,制備了尺寸為φ101 mm×H200 mm和φ170 mm×H30 mm的圓柱體試樣,分別開展了三軸試驗和滲透試驗,塑性混凝土三軸試驗成果見表5。滲透試驗表明,塑性混凝土在達到28 d齡期后,試樣的滲透系數(shù)為i×10-7cm/s量級,在達到90 d齡期后,滲透系數(shù)略有減小,為i×10-8cm/s量級,均滿足一般防滲墻的抗?jié)B要求。

表5 塑性混凝土E—B模型參數(shù)成果

5 圍堰應(yīng)力變形計算

采用試驗獲得的堰體填料參數(shù),模擬施工填筑及水位升降過程,開展了二期圍堰的平面二維有限元應(yīng)力變形計算和三維整體模型應(yīng)力變形計算分析。二維平面計算重點是塑性混凝土防滲墻參數(shù)敏感性分析和應(yīng)力變形分析,三維計算重點是圍堰與防滲體系的三維應(yīng)力變形性狀,對防滲體系破壞可能性進行了分析,詳細論證了圍堰設(shè)計方案的安全性。

在有限元分析中,接觸條件是一類特殊的不連續(xù)約束條件,容許力從分析模型的一部分傳遞到另一部分;接觸狀態(tài)可以分為黏接、張開和滑動3種,強烈地依賴于材料特性、接觸界面特性和受力狀態(tài),本次采用應(yīng)用廣泛的Mohr-Coulomb接觸定理,用界面摩擦系數(shù)來表征接觸表面的摩擦行為。

由于復(fù)合土工膜厚度薄,且不具備抗壓和抗彎特性,因此如何在有限元計算中考慮土工膜的作用存在較大的難度。本次研究中提出采用薄膜單元來模擬復(fù)合土工膜,同時在復(fù)合土工膜與上、下游墊層料之間均設(shè)置接觸。這種模擬能較好地反映土工膜自身的基本力學(xué)特性,又能較好模擬土工膜與墊層料之間的張拉脫開、剪切滑移等接觸力學(xué)特性,同時水壓力也直接加在土工膜上,可真實有效地模擬土工膜的應(yīng)力應(yīng)變。

對完建期和蓄水期大壩的應(yīng)力與變形特征進行分析,完建期和蓄水期分別對應(yīng)的工況為:①完建期,大壩圍堰填筑完畢,此時防滲墻兩邊水位為圍堰填筑時最高洪水位;②蓄水期,填筑完成后蓄水到壩頂,下游抽水到基巖面。

5.1 二維平面應(yīng)力變形

對塑性混凝土防滲墻采用線彈性本構(gòu)模型,進行防滲墻參數(shù)敏感性分析,豎直向壓力極值與防滲墻彈性模量的關(guān)系曲線見圖3,隨著模量的提高,計算壓應(yīng)力極值逐步平緩,呈現(xiàn)明顯的非線性曲線特征。

當(dāng)塑性混凝土防滲墻采用配比S10/28 d時,完建期與蓄水期防滲墻均無豎向拉應(yīng)力,豎向壓應(yīng)力極值為-5.8 MPa,位于防滲墻中下部(圖4)。結(jié)合試驗成果,計算極值-5.8 MPa遠小于標(biāo)號S10的配比28 d的抗壓強度極值-7.2 MPa,因而標(biāo)號S10的配比可以滿足強度設(shè)計要求。完建期與蓄水期防滲墻的應(yīng)力水平極值分別為0.69與0.77,表明防滲墻發(fā)生剪切破壞的可能性較小。

a)中軸線豎直向應(yīng)力

5.2 三維應(yīng)力變形

表6—8分別給出了三維分析中圍堰、塑性混凝土、土工膜的應(yīng)力變形極值。

表6 圍堰應(yīng)力變形極值統(tǒng)計

表7 塑性混凝土防滲墻應(yīng)力變形極值統(tǒng)計

表8 土工膜應(yīng)力變形極值統(tǒng)計

完建期堰體豎向位移極值為27.2 cm,占最大壩高的0.54%,向上游的水平位移極值為-8.0 cm,向下游的水平位移極值為11.6 cm,大主應(yīng)力極值為-1.3 MPa;蓄水期堰體豎向位移極值為31.6 cm,占最大壩高的0.63%,向上游的水平位移極值為-7.2 cm,向下游的水平位移極值為14.3 cm,大主應(yīng)力極值為-1.6 MPa。堰體的應(yīng)力變形在合理的范圍內(nèi)。

防滲體系中的塑性混凝土應(yīng)力水平極值為0.85,小于1.0,三維防滲墻豎向壓應(yīng)力極值為-5.3 MPa,小于標(biāo)號S10的配比28 d的抗壓強度極值-7.2 MPa,有一定的安全儲備。建議設(shè)計采用標(biāo)號S10的配比。

土工膜主拉力極值為1.6 kN/m,主拉應(yīng)變極值為0.6%,均遠小于土工膜的極限抗拉強度與延伸率,處于安全狀態(tài)。

6 圍堰滲透穩(wěn)定性分析

針對二期圍堰的地質(zhì)特性及堰體結(jié)構(gòu),開展了一系列滲流計算分析工作。包括二維穩(wěn)定計算、二維非穩(wěn)定計算和三維計算。

6.1 二維穩(wěn)定滲流

通過二維穩(wěn)定計算,分析堰基和堰體的滲流狀態(tài),研究混凝土防滲墻施工缺陷與滲透穩(wěn)定的關(guān)系。共進行了3種工況的分析。

方案1:圍堰正常擋水運行工況,下游無水,混凝土防滲墻深入基巖下2 m。

方案2:圍堰正常擋水運行工況,下游無水,混凝土防滲墻深入基巖下2 m,但防滲墻基巖內(nèi)開叉,寬度0.1 m。

方案3:圍堰運行期工況,基坑開挖到底,下游取廠房基坑開挖后的最低底高程。

表9 滲流計算成果

方案1成果,在土工膜和防滲墻等防滲體系的共同作用下,取得了較好的滲控效果。墻后自由面明顯降低,堰腳垂直和水平出逸比降分別為0.04和0.07,單寬流量為0.60 m3/(d·m),圍堰的滲透穩(wěn)定可以滿足要求。

方案2成果,開叉處墻后自由面高程和堰腳比降均略有提高,同方案1比,墻后自由面高程抬高了1 m,堰腳比降為0.10,單寬流量比未開叉時增大了0.38 m3/(d·m)?？梢妴蝹€的開叉對圍堰局部的滲透穩(wěn)定是不利的,若開叉過多將會影響圍堰的安全運行。因此,施工過程中必須確保防滲墻的質(zhì)量。

方案3中的自由面已降至堰腳以下,重點是考慮基坑邊坡的滲透穩(wěn)定。開挖后的坑底已進入下部巖層內(nèi),此時基坑的最大水平比降為0.27,位于基坑最低處,邊坡的一、二級平臺均有出逸,因此開挖前需做好基坑周邊和平臺的降水和排水措施。

6.2 二維非穩(wěn)定滲流

長期蓄水的土壩,當(dāng)庫水位以太快的速度下降時,壩體內(nèi)孔隙水壓力可能不能很快消散,壩體的浸潤線高于上游庫水水面。在這種情況下,滲流的動水壓力或滲透力的作用對上游壩坡造成浮起及下滑的趨勢,甚至釀成滑坡事故。因此,在實際工程中必須防止因庫水位下降速度太快而導(dǎo)致這類事故的發(fā)生。為進行壩坡的穩(wěn)定分析,需要進行非穩(wěn)定滲流計算,確定庫水位下降過程中各時段壩體浸潤線的位置。

對典型斷面進行材料分區(qū)概化,建立二維飽和非飽和非穩(wěn)定滲流模型,重點分析上游壩體內(nèi)水位消落過程中上游壩體的滲透比降變化。水位降落條件為:上游水位由52.8 m高程降至44 m高程(最低通航水位),降落時長為20 h,降速為0.44 m/h。

堆石區(qū)44 m高程坡面處比降過程曲線見圖5。當(dāng)庫水位以0.44 m/h的速度降落時,上游堆石區(qū)自由面基本與水位同步下降,反濾料由于滲透系數(shù)小于堆石區(qū),滯后于江水位降落。降落過程中,堆石區(qū)和反濾料最大比降出現(xiàn)在水位持續(xù)降落20 h的時刻,最大滲透比降分別為0.05和0.15,結(jié)合室內(nèi)試驗成果,能夠滿足滲透穩(wěn)定性要求。

圖5 水上堆石44 m高程上游側(cè)滲透比降過程曲線

6.3 三維滲流

三維穩(wěn)定滲流計算模型主要對圍堰形成后基坑開挖情況進行模擬,通過三維計算,分析堰內(nèi)基坑開挖前后的基坑涌水量,為保證施工期圍堰安全提供技術(shù)支撐。

根據(jù)三維滲流計算結(jié)果,右岸山體地下水主要呈由西南向東北流動的態(tài)勢,黔江為排泄面,二期上、下游和縱向圍堰及其防滲體系形成后,受河床地勢控制,地下水向基坑內(nèi)地勢最低處排泄。防滲墻入巖形成封閉式防滲后,基坑開挖前后排水量變化不大,排水量約135.6～140.6 m3/d。如果河床或左岸灘地表層存在局部弱風(fēng)化透水層,防滲墻未全截斷該層,則可能導(dǎo)致基坑排水量明顯增大。

7 監(jiān)測資料驗證

大藤峽二期圍堰于2019年10月完成截流,2020年4月圍堰填筑到設(shè)計高程,開始擋水發(fā)電,2022年5月開始拆除,共運行了30個月。圍堰運行期間,對二期圍堰的變形和滲透壓力等進行了監(jiān)測。監(jiān)測資料表明:圍堰累計沉降測值在54.34～212.20 mm變化,蓄水期間沉降變化量在50.17～171.81 mm變化,本次圍堰填料在26 m以下都是水下拋填,拋填密度相比較碾壓密度偏低,而本次圍堰的最大沉降約占圍堰高度的0.42%,相比較一般碾壓式堆石壩的沉降比0.5%～1.0%,處于低值,說明沉降量值較小。累計水平位移測值在-9.00～85.00 mm變化,蓄水期間水平位移變化量在-13.60～67.30 mm變化(向下游變化為正),監(jiān)測資料說明水平位移量值也較小。

圍堰防滲墻后側(cè)滲透壓力測值最大值為63.50 kPa,蓄水后滲透壓力變化在-2.75～25.95 kPa,滲透壓力最大值對應(yīng)的約3 m水頭,相比較二期圍堰最大擋水水頭(48.8 m),也處于較小值,說明塑性混凝土防滲墻的防滲效果較好。

8 結(jié)語

大藤峽二期圍堰結(jié)構(gòu)和滲控安全性研究,開展了拋填料與碾壓料的力學(xué)試驗和數(shù)值模擬試驗,驗證了設(shè)計方案的合理性與可靠性,并提出了優(yōu)化措施,研究成果與工程實際緊密結(jié)合,為二期擋水圍堰設(shè)計、施工及安全運行提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。本次研究中,在以下方面取得了創(chuàng)新成果。

a)開展了離心模型試驗,確定了拋填料的水下拋填密度和水下休止角,為圍堰斷面優(yōu)化設(shè)計提供了準(zhǔn)確的參數(shù)指標(biāo);通過摻配膨潤土和黏土方案試驗論證,推薦了最大化摻配當(dāng)?shù)仞ね敛牧系乃苄曰炷僚浜媳确桨浮?/p>

b)在有限元程序中首次實現(xiàn)了對填料與塑性防滲墻的接觸特性和復(fù)合土工膜性能的準(zhǔn)確模擬,得到了更符合工程實際的變形規(guī)律。

c)數(shù)值計算的準(zhǔn)確性有效支撐了設(shè)計提出的“單防滲墻+土工膜結(jié)構(gòu)”防滲體系,經(jīng)2 a的工程運行驗證,取得了較好的實施效果,這種防滲體系可以有效加快工程進度、降低工程造價,可以為其他同類項目提供參考和借鑒。

本次研究不足之處在于,數(shù)值計算中的豎向變形值(316 mm)和水平變形值(143 mm),與監(jiān)測資料的豎向變形值(212 mm)和水平變形值(85 mm)仍有差異,這說明施工質(zhì)量可靠,引起實測變形值較小,也說明了數(shù)值計算的精度和試驗參數(shù)選取仍有待進一步提高,可通過監(jiān)測資料反分析的方法驗證參數(shù)合理性。