楊軍義 邢建營 聶章博 王惠芹

摘 要：拱壩基礎(chǔ)加固是保證壩肩穩(wěn)定和拱壩安全的重要工程措施，以東莊拱壩壩基加固措施為研究對(duì)象，系統(tǒng)模擬壩肩巖體中斷層、夾泥裂隙、寬大裂隙和相應(yīng)的加固措施，采用彈塑性本構(gòu)對(duì)其壩基加固效果進(jìn)行了有限元分析。計(jì)算結(jié)果表明：基礎(chǔ)加固措施對(duì)壩體位移和應(yīng)力的最大值影響很小，但在一定程度上使壩體以及建基面的屈服區(qū)減小，改善了壩體受力；基礎(chǔ)加固措施對(duì)拱壩壩體的塑性區(qū)影響不大，但是基礎(chǔ)加固后建基面屈服區(qū)明顯減小，基礎(chǔ)加固措施明顯改善了壩基的受力狀態(tài)，基礎(chǔ)加固措施對(duì)于斷層ｆ５ 和夾泥裂隙Ｒｎｊ３ 的屈服區(qū)體積影響相對(duì)較小，對(duì)于寬大裂隙Ｌ２２ 的屈服區(qū)體積影響較為顯著。東莊拱壩基礎(chǔ)加固措施改善了壩體和壩基受力、提高了壩基的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：混凝土拱壩；基礎(chǔ)加固；彈塑性本構(gòu)；東莊拱壩

中圖分類號(hào)：ＴＶ６４２．４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２８

引用格式：楊軍義，邢建營，聶章博，等．東莊拱壩基礎(chǔ)加固措施效果分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：１５６－１６０．

０ 引言

拱壩是一種壩體與基礎(chǔ)聯(lián)合承載的空間殼體水工建筑物，行業(yè)內(nèi)一直高度重視拱壩的基礎(chǔ)加固處理。《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（ＳＬ ２８２—２０１８）中明確指出“壩基處理設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)壩址地基條件和基巖物理力學(xué)性質(zhì)，通過拱壩應(yīng)力分析和穩(wěn)定分析，并考慮相鄰建筑物的布置、施工技術(shù)等因素，選擇安全、經(jīng)濟(jì)和有效的處理方案”。特高拱壩基礎(chǔ)如果分布有復(fù)雜斷層、軟弱帶等不利結(jié)構(gòu)面，易削弱地基完整性，引起基礎(chǔ)非協(xié)調(diào)變形，并造成高拱壩局部開裂或失穩(wěn)［１］ 。二灘拱壩左岸局部壩段的基礎(chǔ)存在未完全處理的軟弱帶巖體，運(yùn)行期非協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致壩體局部開裂［２］ 。Ｋｏｌｎｂｒｅｉｎ拱壩壩基附近存在軟弱破碎帶，前期未充分考慮相應(yīng)的工程措施，蓄水后壩踵出現(xiàn)開裂，后期對(duì)拱壩壩體和軟弱破碎帶進(jìn)行了系統(tǒng)處理［３］ 。目前，壩肩結(jié)構(gòu)面加固處理效果分析的方法主要有剛體極限平衡分析法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法和數(shù)值計(jì)算法等。剛體極限平衡分析法主要用于分析壩肩結(jié)構(gòu)面對(duì)壩肩穩(wěn)定性的影響。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法一定程度上能夠模擬壩肩復(fù)雜結(jié)構(gòu)面及其加固措施，可直觀研究基礎(chǔ)變形、超載開裂、破壞全過程［４］ 。在數(shù)值計(jì)算方面，結(jié)構(gòu)面模擬主要基于理想彈塑性有限元理論，采取參數(shù)弱化的實(shí)體單元進(jìn)行拱壩壩體和壩基彈塑性分析，該方法目前已用于國內(nèi)外多座高拱壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與基礎(chǔ)加固效果分析［５－７］ 。

陜西省東莊水利樞紐工程壩址位于涇河干流最后一個(gè)峽谷段出口以上２９ ｋｍ 處，其左岸為陜西省淳化縣車塢鎮(zhèn)，右岸為陜西省禮泉縣叱干鎮(zhèn)。該工程是國家１７２ 項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，是黃河水沙調(diào)控體系中的重要支流水庫，是黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略實(shí)施以來第一座開工建設(shè)的大型節(jié)點(diǎn)水庫。工程控制流域面積４．３２ 萬ｋｍ２，最大壩高２３０ ｍ，總庫容３２．７６ 億ｍ３，開發(fā)任務(wù)以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電及改善生態(tài)等綜合利用。樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電建筑物等組成。

東莊水利樞紐工程場地處于鄂爾多斯地塊南緣，屬于區(qū)域穩(wěn)定性較好的工程場地，壩址河谷窄深，基巖裸露，巖性為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（Ｏ２ｍ）厚層巨厚層灰?guī)r，巖層走向ＮＷＷ，產(chǎn)狀１９０°～２１０°∠３０°～５５°，地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖石強(qiáng)度高，巖石風(fēng)化卸荷深度較淺，巖體質(zhì)量以Ⅱ類為主。盡管壩址區(qū)無較大型斷層、褶皺等構(gòu)造發(fā)育，但左壩肩沿建基面發(fā)育Ｌｎｊ１ 夾泥裂隙，右壩肩分布有ｆ５ 斷層、Ｒｎｊ１、Ｒｎｊ２、Ｒｎｊ３ 夾泥裂隙和Ｌ２２ 寬大裂隙。水庫蓄水后壩體將上游水沙荷載傳遞到建基面，左岸建基巖體可能發(fā)生壓剪變形，根據(jù)壩肩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，ｆ５ 斷層和Ｒｎｊ３ 夾泥裂隙作為側(cè)滑面，Ｌ２２ 寬大裂隙作為凌空面，可以組合出不滿足抗滑穩(wěn)定要求的滑動(dòng)巖體。參考烏東德、白鶴灘、大崗山和錦屏一級(jí)等高拱壩壩基處理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合拱壩壩肩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，對(duì)東莊拱壩壩基關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)面ｆ５ 斷層、Ｒｎｊ３ 夾泥裂隙和Ｌ２２ 寬大裂隙采取了混凝土網(wǎng)格梁置換。上述處理措施的依據(jù)是剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果，為了進(jìn)一步驗(yàn)證處理措施的合理性，非常有必要采用非線性有限元法從拱壩基礎(chǔ)位移、應(yīng)力均化、屈服區(qū)及超載能力等方面進(jìn)一步分析壩肩關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)面加固處理效果，為最終的壩肩結(jié)構(gòu)面處理方案提供支撐。

１．２ 有限元計(jì)算模型

計(jì)算模型中的坐標(biāo)系以壩頂拱冠梁上游點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，向左岸為Ｘ 軸正方向，向下游為Ｙ 軸正方向，豎直向下為Ｚ 軸正方向。參考國內(nèi)外同類工程經(jīng)驗(yàn)，上游模擬范圍應(yīng)不小于１．５ 倍壩高，下游模擬范圍應(yīng)不小于３ 倍壩高，左右兩岸模擬范圍應(yīng)不小于２ 倍壩高，壩基模擬深度應(yīng)不小于１．５ 倍壩高，壩頂高程以上模擬１ 倍壩高以內(nèi)壩坡。整個(gè)模型的模擬范圍為９００ ｍ×１ ０５０ ｍ×６７６ ｍ，其中：Ｘ 軸方向－４５０～４５０ ｍ，Ｙ軸方向－３５０～７００ ｍ，Ｚ 軸方向（高程）２２４～９００ ｍ。模型網(wǎng)格采用八節(jié)點(diǎn)六面體和六節(jié)點(diǎn)五面體單元，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為２０３ ２１０，單元總數(shù)為１９０ ４３５，其中壩體單元總數(shù)為１０ ５０４。整體有限元計(jì)算模型網(wǎng)格如圖１ 所示。

對(duì)于斷層的模擬，左岸主要模擬了Ｌｎｊ１，右岸模擬了Ｒｎｊ１、Ｒｎｊ２、Ｒｎｊ３、ｆ５、ｆ５６ 和Ｌ２２，各結(jié)構(gòu)面與壩體的空間位置關(guān)系如圖２ 所示。斷層的有限元網(wǎng)格及其與壩體網(wǎng)格的位置關(guān)系如圖３～圖５ 所示。

２ 計(jì)算荷載及參數(shù)

２．１ 計(jì)算荷載及其施加方法

計(jì)算荷載包括地應(yīng)力、壩體自重、水荷載、泥沙荷載、溫度荷載和滲流荷載。地應(yīng)力只考慮巖體自重引起的地應(yīng)力場。壩體自重的施加按照封拱灌漿時(shí)間依次激活各層壩體單元實(shí)現(xiàn)。水荷載為正常蓄水位（７８９ ｍ）工況下相應(yīng)的荷載，以面力的形式施加到上游壩面上，涇河為多沙河流，正常蓄水位工況下相應(yīng)的渾水容重為１３．８ ｋＮ／ ｍ３。泥沙荷載也是正常蓄水位工況下淤沙高程（７２５ ｍ）相應(yīng)的荷載，淤沙浮容重為１０ ｋＮ／ ｍ３，淤沙內(nèi)摩擦角為１６°，泥沙荷載的施加方式同水荷載的。按照《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，溫度荷載只需要模擬平均溫差和等效線性溫差，溫度荷載沿壩厚度方向進(jìn)行線性插值。本次計(jì)算選擇基本工況為上游正常蓄水位＋壩體自重＋泥沙＋下游水位＋設(shè)計(jì)溫降。

２．２ 材料參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場原位試驗(yàn)結(jié)果，壩基巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表１，根據(jù)混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果，壩體、墊座和抗剪洞力學(xué)參數(shù)見表２。

３ 基礎(chǔ)加固措施效果評(píng)價(jià)方法

拱壩主要通過壩體將承受的荷載傳遞給兩岸基礎(chǔ)巖體，由于壩基、拱肩槽和下游抗力體出現(xiàn)了多個(gè)相互交錯(cuò)的斷層和夾泥裂隙，因此巖體的力學(xué)參數(shù)有一定程度的降低，特別是巖體的變形模量和承載能力的減小，對(duì)大壩的變形、應(yīng)力和壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定均有不利影響。對(duì)基礎(chǔ)采取置換處理的加固措施，對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面的置換能夠使壩肩穩(wěn)定，不過仍需考慮基礎(chǔ)處理對(duì)壩體變形、壩體應(yīng)力、拱壩超載能力和基礎(chǔ)變形的影響。通過對(duì)比采取基礎(chǔ)加固措施后上述指標(biāo)的改善情況來進(jìn)行加固效果的評(píng)價(jià)。關(guān)于拱壩超載能力的評(píng)價(jià)方式有強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)法和超載法兩種［８］ 。從降低巖體力學(xué)參數(shù)ｃ 和φ 的方式上，強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)法又分為等比例降強(qiáng)和不等比例降強(qiáng)。國內(nèi)外試驗(yàn)成果表明，φ 值比較穩(wěn)定，變化的幅度較小，而ｃ 值受外界多種因素的影響較大，比較不穩(wěn)定，變化的幅度較大，因此把ｃ 和φ 按照等比例降低明顯不符合實(shí)際，然而采用不等比例降低強(qiáng)度雖然更符合實(shí)際，但是ｃ 和φ 究竟按照何種比例降低是一個(gè)值得商榷的問題。超載法包括三角形超載法和矩形超載法，國內(nèi)學(xué)者通過論證后認(rèn)為三角形超載更加合理［９］ ，因此本研究采用三角形超載法進(jìn)行拱壩超載能力計(jì)算。

４ 計(jì)算結(jié)果分析

４．１ 加固措施對(duì)壩體位移的影響分析

東莊拱壩加固和不加固方案正常工況大壩下游壩面位移情況見表３。根據(jù)位移計(jì)算結(jié)果可知，采取和不采取基礎(chǔ)處理措施，壩體位移分布的規(guī)律相同?；A(chǔ)處理措施使大壩橫河向、順河向位移減小，但減小的幅度不大，并且順河向位移減小的幅度大于橫河向位移的。采取基礎(chǔ)處理措施時(shí)，左拱端順河向位移和橫河向位移未發(fā)生變化，原因是基礎(chǔ)處理措施全部位于右岸。右拱端順河向位移最大減小值為０．１ ｍｍ，橫河向位移最大減小值為０．１ ｍｍ。拱冠順河向位移最大減少值為０．１ ｍｍ，橫河向位移未減小。４．２ 加固措施對(duì)壩體應(yīng)力的影響分析東莊拱壩加固和不加固方案正常工況壩體應(yīng)力最大值及其分布見表４。

由計(jì)算結(jié)果可知，東莊拱壩基礎(chǔ)處理措施使得壩體應(yīng)力有所改善，但其對(duì)壩體應(yīng)力的最大值影響很小?；A(chǔ)處理后，壩基的變形減小，對(duì)壩體約束增強(qiáng)，使得基礎(chǔ)處理后下游壩面主壓應(yīng)力略微增大，由１２．９２ ＭＰａ 增大到１２．９３ ＭＰａ。４．３ 加固措施對(duì)壩基屈服狀態(tài)的影響分析東莊拱壩基礎(chǔ)采取加固措施后正常工況以及各超載工況下建基面的屈服區(qū)如圖６ 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：基礎(chǔ)采取加固措施后，東莊拱壩建基面（壩體）屈服區(qū)略有減少，建基面（壩基）的屈服區(qū)在高倍超載情況下明顯減小，這表明基礎(chǔ)加固措施改善了壩基的受力狀態(tài)。

４．４ 加固措施對(duì)整體穩(wěn)定性的影響

東莊拱壩基礎(chǔ)不采取加固措施和采取加固措施兩種方案下，超載過程中的壩體和壩基屈服區(qū)體積見表５，超載過程中斷層ｆ５、夾泥裂隙Ｒｎｊ３ 和寬大裂隙Ｌ２２屈服區(qū)體積見表６。

由計(jì)算結(jié)果可知：基礎(chǔ)處理后，各超載工況下壩基屈服區(qū)體積也略有減少，壩體屈服區(qū)體積在超載時(shí)略有減小?；A(chǔ)處理措施對(duì)于斷層ｆ５ 和夾泥裂隙Ｒｎｊ３的屈服區(qū)體積影響較小，對(duì)于寬大裂隙Ｌ２２ 的屈服區(qū)體積影響較顯著。正常工況下， ｆ５ 屈服區(qū)體積從１ ９０３ ｍ３降低到１ ８７７ ｍ３，僅降低了１．４％；Ｒｎｊ３ 屈服區(qū)體積從２ ０４３ ｍ３ 降低到１ ７５１ ｍ３，降低了１４．３％；Ｌ２２ 屈服區(qū)體積從１ ２７８ ｍ３ 降低到２３５ ｍ３，降低了８１．６％。３．５ 倍超載下，ｆ５ 屈服區(qū)體積從３ ３９０ ｍ３降低到３ ０３８ ｍ３， 降低了１０． ４％； Ｒｎｊ３ 屈服區(qū)體積從３ ４３４ ｍ３降低到３ ３７９ ｍ３，僅降低了１．６％；Ｌ２２ 屈服區(qū)體積從３ ０３９ ｍ３降低到２ ２５１ ｍ３，降低了２５．９％。其余超載倍數(shù)各結(jié)構(gòu)面的屈服區(qū)體積也有所降低。綜上所述，基礎(chǔ)處理措施降低了斷層ｆ５、夾泥裂隙Ｒｎｊ３ 和寬大裂隙Ｌ２２ 的屈服區(qū)體積，提高了壩基的穩(wěn)定性，表明基礎(chǔ)處理措施是比較有效的。

５ 結(jié)束語

正常工況下，基礎(chǔ)加固處理措施對(duì)壩體位移和應(yīng)力的最大值影響很小，但在一定程度上使壩體以及建基面的屈服區(qū)減少，改善了壩體受力。超載法分析基礎(chǔ)加固前后拱壩塑性區(qū)的變化情況表明，基礎(chǔ)加固措施對(duì)拱壩壩體的塑性區(qū)影響不大，但在高倍超載情況下，基礎(chǔ)加固后的建基面屈服區(qū)明顯減小，這表明基礎(chǔ)加固措施明顯改善了壩基的受力狀態(tài)。基礎(chǔ)加固措施對(duì)于斷層ｆ５ 和夾泥裂隙Ｒｎｊ３ 的屈服區(qū)體積影響相對(duì)較小，對(duì)于寬大裂隙Ｌ２２ 的屈服區(qū)體積影響較為顯著。綜合上述計(jì)算分析結(jié)果，東莊拱壩基礎(chǔ)加固措施改善了壩體和壩基受力，提高了壩基的穩(wěn)定性，因此采取的基礎(chǔ)加固措施是比較有效的。

參考文獻(xiàn)：

［１］ ＬＩＮ Ｐ，ＺＨＯＵ Ｗ Ｙ，ＬＩＵ Ｈ Ｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｒａｃｋ?ｉｎｇ， Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ， ａｎｄ Ｏｖｅｒａｌｌ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＸｉａｏｗａｎＳｕｐｅｒ?Ｈｉｇｈ Ａｒｃｈ Ｄａｍ［Ｊ］．Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｒｏｃｋ Ｅｎｇｉ?ｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，４８（２）：８１９－８４１．

［２］ 中國電建成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司．雅礱江二灘水電站拱壩３３＃／３４＃壩段裂縫分析研究［Ｒ］．成都：中國電建成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，２００４：８０－８２．

［３］ 林鵬，石杰，周華，等．烏東德壩肩結(jié)構(gòu)面影響及協(xié)調(diào)加固穩(wěn)定分析［Ｊ］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，２０１６，３５（增刊２）：３９３７－３９４６．

［４］ 周維垣，林鵬，楊若瓊，等．高拱壩地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法與應(yīng)用［Ｍ］．北京：中國水利水電出版社，２００８：１１８－１８８．

［５］ 商開衛(wèi)，張公平．大崗山水電站右岸壩肩邊坡深層加固研究［Ｊ］．人民黃河，２０１８，４０（１）：１３８－１４４．

［６］ 寧宇，徐衛(wèi)亞，鄭文棠，等．白鶴灘水電站拱壩及壩肩加固效果分析及整體安全度評(píng)價(jià)［Ｊ］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，２００８，２７（９）：１８９０－１８９８．

［７］ 楊寶全，陳媛，張林，等．基于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的錦屏拱壩壩肩加固效果研究［Ｊ］．巖土力學(xué)，２０１５，３６（３）：８１９－８２６．

［８］ 周偉，常曉林，唐忠敏，等．溪洛渡高拱壩漸進(jìn)破壞過程仿真分析與穩(wěn)定安全度研究［Ｊ］．四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），２００２，３４（４）：４６－５０．

［９］ 熊堃，何蘊(yùn)龍，肖偉．桑郎拱壩整體穩(wěn)定安全度數(shù)值分析［Ｊ］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），２００７，４０（４）：２２－２５，３０．

【責(zé)任編輯 張 帥】