深厚覆蓋層不同閘基處理方案的研究

鄭小芳 李富忠 李鳳瓊 劉彥琦

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

深厚覆蓋層不同閘基處理方案的研究

鄭小芳 李富忠 李鳳瓊 劉彥琦

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

以陰坪水電站覆蓋層不同閘基處理為例，采用ANSYS大型有限元分析軟件,基于非線性Drucker-Prager本構模型，分析了不同的閘基地基處理方式下，閘室的位移和應力分布特征，為閘基處理方案提供依據。

深厚覆蓋層，有限元，閘室，位移，應力

我國西南地區河谷廣泛分布著厚度大于30 m的第四紀松散沉積物，其具有結構松散、巖層不連續的性質，物理力學性質不均勻等顯著特點[1-3]。隨著水利水電工程的發展，許多地質條件較好的壩址均已建壩[4-6]，將不得不在深厚覆蓋層修建土石壩，重力壩，閘壩等各種壩型[7]。其中以閘壩最為普遍，在深厚覆蓋層上的閘壩對地基承載力、不均勻沉降、滲流穩定等有很高的要求[8]。本文以陰坪閘壩為例，基于非線性Drucker-Prager本構模型，應用ANSYS軟件進行分析，得到了不同閘基處理方案下的閘壩、壩基位移及應力分布，選取并優化了閘基處理方案，以期對類似的深厚覆蓋層處理提供參考。

1 工程概況

陰坪水電站是涪江支流火溪河流域梯級開發的最下游一個梯級，采用低閘引水式開發，正常蓄水位1 248.00 m，相應庫容112.6萬m3，最大閘高35.0 m，裝機容量100 MW，為單一發電工程，無其他綜合利用要求。本電站樞紐為三等工程，主要建筑物按3級設計，次要建筑物按4級設計。首部樞紐是在深厚覆蓋層、高地震烈度區修建的閘壩工程，自左至右布置有：左岸擋水壩、泄洪閘、沖沙閘、右岸擋水壩及右岸側向取水閘。壩基覆蓋層超過100 m，且物質成分、結構及其成因復雜，厚度不均，主要以砂、粉砂質壤土為主，承載力、壓縮模量及抗剪強度低，且有液化的可能，閘壩擋水高度大，對地基的要求高，基礎處理是本工程安全運行的關鍵。

閘室段覆蓋層由多層土體組成，層厚不均勻，表1列出了覆蓋層各層的特點。

表1 覆蓋層特點

2 有限元計算方法

2.1 計算范圍及結構離散

計算范圍確定為：在水平方向，向左右岸延伸30 m，向上下游方向各延伸85 m；在垂直方向，從底板向下延伸50 m，包括整個覆蓋層。其坐標系取為：原點設在泄洪閘右岸閘墻底部右側，X軸沿河流方向指向下游，Y軸垂直指向下方，Z軸沿左岸指向右岸的方向。網格劃分后的空間有限元網格如圖1所示。

2.2 計算基本參數

模型計算基本力學參數見表2，表中所列材料密度均為干密度，由于在實際工程中，只有混凝土和基巖采用干密度，其余材料均采用浮密度。本文采用關聯流動法則，所以流動角ψ與摩擦角取值一致。

表2 模型計算基本力學參數

編號材料密度ρ/kg·m-3壓縮模量Es/MPa泊松比μ粘結力c/MPa內摩擦角f/(°)1基巖:微新二云母石英片巖27306.50×1030.250.9432①層:含漂砂卵礫石2240550.350323②層:深灰色粉砂質壤土2070100.40.006184③層:塊碎石土1950450.450295④層:深灰色粉砂質壤土2100100.40.006176⑤層:砂層2040150.40157⑥層:含漂砂卵礫石層2400450.30318鋪蓋24002.55×1040.1672.8579混凝土防滲墻24002.20×1040.16715010混凝土C2524502.80×1040.16735811混凝土C2024002.55×1040.1672.85712防滲墻帽:充填嵌縫油膏24005000.442.827

2.3 計算工況

本文主要分析水閘在正常蓄水位工況(上游水位1 248.00 m，下游水位1 216.00 m)下，不同處理方案的閘室結構和閘基的變位和應力分布特征。

2.4 不同閘基處理方案

基礎振沖碎石樁是一種經濟有效的地基土體加固措施。它利用振動、水沖等方式在軟弱地基成孔后，將砂或碎石擠壓至已成孔中，就地形成直徑大且密實的砂石樁體。碎石樁也可以在土層中形成排水通道，加速地基土的排水固結。加固后的地基能滿足承載力、變形及抗液化的要求。對于陰坪水電站閘室段，振沖碎石樁的范圍包括泄洪沖砂閘段、鋪蓋、護坦的地基，并考慮一定的護樁范圍。振沖碎石樁按等邊三角形布置，設計樁徑為1.0 m，泄洪、沖砂閘閘室基礎樁間距為1.5 m，鋪蓋上游側、閘室段下游護樁基礎樁間距為2.0 m。

不同壩基處理方案見表3，其中基礎樁間距不變，僅變化振沖樁的深度。

表3 閘基處理方案簡表

3 成果分析

3.1 不同閘基處理方案閘壩結構位移對比分析

表4為運行工況下，不同地基處理方案閘壩壩體結構的位移量值。

表4 不同閘基處理方案位移對比表 cm

1)由不同地基處理方案的對比可以看出，各方案的閘壩結構變位規律基本相似，在天然地基條件下，各個方向的最大位移出現最大值，而方案3～方案6的最大絕對位移出現在泄洪閘段左側的上游頂部。這是因為對于方案1，方案2，地基相對比較軟弱，由于地基的不均勻沉降及閘室結構的不對稱性，使得閘室向右岸傾斜的趨勢十分明顯，對于方案3～方案6，人工處理后的地基相對沉降已減小許多，橫河向的最大位移主要由水荷載推力引起。

2)有振沖樁處理的閘壩沉降較天然地基沉降都明顯減小，隨著振沖樁深度的增加，壩體沉降逐漸減小，同樣的水平向與橫河向位移也都隨地基處理方案的加強而逐漸減小。同時，鉛直向位移對于振沖樁深度都最為敏感，其次為順河向位移，最后是橫河向位移。

3)由閘室的變形可以看出，天然地基條件下閘壩最大沉降均不能滿足規范要求(≤15 cm)，因此必須對閘基進行加固處理。

4)隨著地基處理方案的不斷加強，壩體結構變位逐漸減小。方案2的沉降不能滿足規范要求，方案3地基處理方案下，運行工況壩體結構變位均能滿足規范要求。方案4～方案6下壩體變位雖能滿足要求，但相對于方案3，三者沉降減小的幅度都不大。基于對壩體結構變位的分析與工程經濟的考慮，選用地基處理方案3即可。

3.2 不同閘基處理方案閘壩結構應力對比分析

表5列出了運行工況下，針對不同閘基處理方案閘室結構的大小主應力極值。

表5 不同閘基處理方案應力對比表 MPa

1)運行工況下閘室結構總體均為受壓狀態，局部存在一定的拉應力區，但量值與范圍都不大。隨著振沖樁深度的增加，壩體應力集中程度逐漸減小，相應的大小主應力極值也逐漸減小。

2)不同的閘基處理方案，閘壩結構應力規律基本一致且量值差別不大，但閘壩應力集中程度存在較大差異，其中由于天然地基的不均勻沉降最大，閘室的傾斜程度最大，應力集中程度最為明顯。方案3由于閘室不均勻沉降明顯減小，應力集中程度相對不明顯。總體上看方案3的閘室大小主應力極值已滿足混凝土抗拉抗壓強度的要求。方案4～方案6下壩體雖仍能滿足強度要求，但相對于方案3，三者應力集中減小的幅度都不大。基于對壩體結構應力的分析與工程經濟的考慮，選用地基處理方案3即可。

4 結語

陰坪水閘在對不同閘基處理方案下，隨著地基處理方案的不斷加強，壩體結構變位與應力集中都逐漸減小。天然狀態與方案2的沉降與應力均不能滿足規范要求，方案3設計方案地基處理方式下，運行工況壩體結構變位均能滿足規范要求，在應力方面，方案3在運行工況下均能滿足混凝土抗拉抗壓強度的要求，方案4～方案6下壩體變位與應力雖然能滿足要求，但相對于方案3，三者減小的幅度都不大。因此根據對壩體結構變位與應力的分析與工程經濟的考慮，選用地基處理方案3即可。

[1] 陳海軍，任光明，聶德興，等.河谷深厚覆蓋層工程地質特性及其評價方法研究[J].地質災害與環境保護，1996,7(4)：53-59.

[2] 羅先進,何江達,謝紅強,等.深覆蓋層閘壩結構特性及基礎處理措施研究[J].中國農村水利水電,2013(3):114-118，122.

[3] 劉彥琦，張立勇，李 茂，等.福堂水電站閘室結構有限元分析[J].中國農村水利水電，2011(8)：153-155.

[4] 呂生璽.九甸峽混凝土面板堆石壩應力和變形有限元分析[J].南水北調與水利技術,2010(3):117-120.

Research on various seepage treatment schemes of deep cover

ZHENG Xiao-fang LI Fu-zhong LI Feng-qiong LIU Yan-qi

(KunmingSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaPowerConstruction,Kunming650051,China)

Taking the various seepage treatment of deep cover at Yinping Hydropower Station as the example, the paper adopts ANAYS, the large-scale finite element analysis software, and analyzes the displacement of the seepage and the stress distribution features under various seepage foundation treatment based on the non-linear Drucker-Prager constitutive model, so as to provide some reference for the seepage treatment scheme.

deep cover, finite element, seepage, displacement, stress

1009-6825(2014)34-0224-03

2014-09-24

鄭小芳(1982- )，男，工程師

TV731.5

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