紙廠水庫(kù)大壩應(yīng)力變形模擬計(jì)算與安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)分析

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司云南分院，云南 昆明 650000)

1 引 言

土石壩可充分利用當(dāng)?shù)夭牧希?jié)約投資，且地基適應(yīng)能力強(qiáng)。黏土心墻堆石壩是土石壩中較為常見的一種，若出現(xiàn)黏土心墻與堆石料之間產(chǎn)生過大的沉降差，心墻填筑質(zhì)量較差，局部不密實(shí)等情況，則可能導(dǎo)致心墻產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而引起集中滲漏，影響大壩安全運(yùn)行，乃至潰壩。實(shí)踐證明：土石壩的沉降主要受應(yīng)力狀態(tài)和時(shí)間的影響，而且土石壩填筑和蓄水壓力對(duì)于流變分量(時(shí)間分量)兩者之間有耦合影響[1]。因此，在設(shè)計(jì)比選階段，采用合適的計(jì)算模型對(duì)土石壩應(yīng)力變形進(jìn)行模擬分析是十分必要的，有助于初步了解其變化情況，并有針對(duì)性地布設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)施，為施工、運(yùn)行及設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的監(jiān)測(cè)資料。

紙廠水庫(kù)位于云南省永德縣，大壩設(shè)計(jì)為黏土心墻堆石壩，本文對(duì)壩體應(yīng)力變形的流固耦合模式模擬計(jì)算及相應(yīng)滲流和變形安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供啟示。

2 大壩設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

2.1 工程地質(zhì)及地震動(dòng)參數(shù)

紙廠水庫(kù)大壩壩址左、右岸殘坡積覆蓋層Qedl為含碎塊石礫砂粉質(zhì)黏土、碎石黏土，厚2.5～4.0m，中等透水。河床部位洪沖積覆蓋層Qpal為卵礫石砂土，卵礫石含量占40～50%，偶夾灰?guī)r，結(jié)構(gòu)松散，厚0.5～2.5m，中等透水。覆蓋層下伏基巖為石炭系下統(tǒng)平掌組下段(C1p1)安山玄武巖、深灰色片理化蝕變安山玄武巖。以河谷為界，兩岸巖體結(jié)構(gòu)不同，左岸為黃褐色安山玄武巖，可見原生節(jié)理面，透水性較好，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，全風(fēng)化層厚8～10m，強(qiáng)風(fēng)化底界埋深大于40m。右岸因與灰?guī)r地層接觸帶相鄰，產(chǎn)生接觸變質(zhì)作用，片理化現(xiàn)象突出，透水性弱，風(fēng)化作用較左岸弱，全風(fēng)化層厚7～9m，強(qiáng)風(fēng)化底界埋深20～22m。工程區(qū)土料、石料豐富，選定黏土料場(chǎng)和堆石料場(chǎng)運(yùn)距均不超過0.7km。

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，工程按Ⅷ度設(shè)防。

2.2 壩體設(shè)計(jì)

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，大壩設(shè)計(jì)為黏土心墻堆石壩，壩頂高程2275.30m，最大壩高47.9m。黏土心墻頂高程2274.80m，頂寬3m，最大底寬26.2m，上、下游坡比1∶0.25。心墻與堆石料之間設(shè)反濾、過渡層，水平厚均為1.5m。大壩上游壩坡為一級(jí)坡，坡比1∶1.75；下游壩坡為二級(jí)坡，在變坡處設(shè)2.0m寬戧臺(tái)，坡比1∶1.7。大壩典型設(shè)計(jì)剖面如圖1、圖2所示。

圖1 大壩壩軸線剖面布置

圖2 大壩典型橫剖面

3 大壩應(yīng)力變形模擬計(jì)算

3.1 流固耦合計(jì)算模式簡(jiǎn)介

FLAC3D利用顯示差分方法來(lái)求解運(yùn)動(dòng)方程以及動(dòng)力方程，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來(lái)擬合實(shí)際結(jié)構(gòu)，并采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)[2]。由于無(wú)須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能求解大范圍的三維問題。計(jì)算流程包括構(gòu)建模型、模擬求解和輸出計(jì)算結(jié)果。

其中，為描述流體和固體的耦合特性，F(xiàn)LAC3D滲流模型可與固體模型并行計(jì)算。固結(jié)是一種流固耦合現(xiàn)象，在固結(jié)過程中，孔隙隨壓力消散而導(dǎo)致固體位移。此行為包含兩種力學(xué)效應(yīng)：?孔隙水壓力的改變導(dǎo)致有效應(yīng)力改變，進(jìn)而影響固體的力學(xué)性能，例如有效應(yīng)力的降低可能引發(fā)塑性屈服；?土體中的流體對(duì)孔隙體積的變化產(chǎn)生反作用，表現(xiàn)為孔隙水壓力的變化。

3.2 模型構(gòu)建

紙廠水庫(kù)大壩底寬172m，最大壩高47.9m。計(jì)算網(wǎng)格模型包含10個(gè)類別，將大壩分為堆石料區(qū)(bianpozuo、bianpoyou、badi1、badi2)、壩基強(qiáng)風(fēng)化區(qū)(tubadi)、黏土心墻區(qū)(baxin、badi3)、反濾料區(qū)(lvcengzuo、lvcengyou)，以及防滲帷幕灌漿區(qū)(zhuang)等5個(gè)區(qū)，如圖3所示。計(jì)算模型與設(shè)計(jì)尺寸基本一致。

圖3 計(jì)算模型

3.3 參數(shù)選取

計(jì)算模型中滲透系數(shù)及材料的物理力學(xué)指標(biāo)采用地質(zhì)建議值，見表1；彈性模量、體積模量等參數(shù)由類似工程換算得到[3]，見表2。

表1 大壩滲透系數(shù)及各區(qū)的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 彈性模型參數(shù)

3.4 計(jì)算方案

計(jì)算方案考慮兩種工況：

a.蓄水前的初始應(yīng)力和沉降變形狀態(tài)及孔壓場(chǎng)，計(jì)算云圖如圖4～7所示。

圖4 初始應(yīng)力計(jì)算的豎向應(yīng)力云圖

圖5 初始應(yīng)力計(jì)算的剪切應(yīng)力云圖

圖6 初始應(yīng)力計(jì)算的沉降量云圖

圖7 初始應(yīng)力計(jì)算的孔壓云圖

從圖4～5可知，壩體底部心墻軸線兩側(cè)的豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力最大。從圖6可知，黏土心墻形心區(qū)域(0,0,60)和堆石料形心區(qū)域(-40,0,60)分別沉降276mm、114mm，平均沉降差為162mm。圖7中帷幕灌漿區(qū)域亦考慮了孔隙水壓力。

b.蓄水后水壓力對(duì)模型應(yīng)力的影響。此時(shí)流體模式處于關(guān)閉狀態(tài)，因此模型中的孔壓場(chǎng)不隨面荷載的影響而改變。計(jì)算結(jié)果顯示：最大剪應(yīng)力略有增加，但最大應(yīng)力區(qū)域位置不變；最大水平位移16mm，沉降主要發(fā)生在黏土心墻區(qū)，黏土心墻形心區(qū)域(0,0,60)沉降79mm，堆石料形心區(qū)域(-40,0,60)沉降23mm，平均沉降差為56mm。

3.5 成果小結(jié)

計(jì)算結(jié)果表明，壩體底部為高應(yīng)力區(qū)，沉降主要發(fā)生在黏土心墻區(qū)，大壩在蓄水運(yùn)行期，水平位移很小，大壩穩(wěn)定性較強(qiáng)。大壩在自重和水壓作用下，黏土心墻形心區(qū)域(0,0,60)沉降量為355mm，堆石料形心區(qū)域(-40,0,60)沉降量為137mm，平均沉降差為218mm。量值均不大。

4 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，已按規(guī)范在黏土心墻與堆石料之間設(shè)置了反濾、過渡層，在不均勻沉降出現(xiàn)時(shí)，可協(xié)調(diào)相鄰兩側(cè)壩料變形。同時(shí)，在黏土心墻出現(xiàn)裂縫時(shí)，心墻下游側(cè)的反濾層能確保土顆粒不被大量帶出，有利于裂縫自行愈合。但若要及時(shí)發(fā)現(xiàn)不均勻沉降、裂縫等缺陷，合理布設(shè)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施尤為重要。

研究表明，滲流監(jiān)測(cè)成果直接反映心墻是否產(chǎn)生裂縫，而變形可對(duì)裂縫成因及發(fā)生過程進(jìn)行描述[4]。而且監(jiān)測(cè)成果還可驗(yàn)證計(jì)算及設(shè)計(jì)的合理性，為工程處理提供必要而科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合規(guī)范要求，紙廠水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)包括滲流和變形，平面布置如圖8所示。

a.滲流監(jiān)測(cè)。沿河床最大壩高剖面(壩0+110.00m)、左、右岸1/2壩高剖面(壩0+060.00m、壩0+160.00m)，壩軸線下游側(cè)共布設(shè)9根測(cè)壓管，編號(hào)UP01～UP09，距壩軸線水平距離17.5～77.5m，以監(jiān)測(cè)壩體壩基滲流壓力。同時(shí)，在下游壩腳縱向排水溝出口處設(shè)1座三角形量水堰，編號(hào)WE01，測(cè)量壩體壩基滲流量。

b.變形監(jiān)測(cè)。在大壩表面平行壩軸線方向布設(shè)4條測(cè)線，共10個(gè)水平兼垂直位移測(cè)點(diǎn)，編號(hào)TP01～TP10，其中壩頂軸線上、下游側(cè)各1條，距壩軸線均為3.5m，下游壩坡2條，距壩軸線分別為41.5m、83.5m。另外，在左、右岸山體表面共布設(shè)3個(gè)工作基點(diǎn)，編號(hào)JCW01～JCW03。水平位移監(jiān)測(cè)采用交會(huì)法，垂直位移監(jiān)測(cè)采用三角高程法。

圖8 大壩安全監(jiān)測(cè)平面布置

5 結(jié) 語(yǔ)

a.采用流固耦合模式進(jìn)行土石壩應(yīng)力變形分析是切實(shí)可行的，計(jì)算成果可為壩體安全監(jiān)測(cè)等設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。該工程模型計(jì)算的不足之處在于彈性模量、體積模量等部分參數(shù)的選取是源于類似工程，但仍能為工程的初步設(shè)計(jì)與施工處理提供參考。

b.模擬計(jì)算結(jié)果表明：紙廠水庫(kù)大壩黏土心墻堆石壩的應(yīng)力應(yīng)變符合一般規(guī)律，壩體應(yīng)力和變形性態(tài)較好，黏土心墻最大沉降量355mm，占?jí)胃叩?.74%；心墻與堆石料之間沉降差為218mm。沉降量和沉降差均不大。

c.結(jié)合FLAC3D成果和規(guī)范要求，設(shè)計(jì)布置了測(cè)壓管、量水堰和變形監(jiān)測(cè)設(shè)施，適時(shí)監(jiān)控大壩工作性態(tài)。

d.建議嚴(yán)格控制黏土心墻的施工質(zhì)量。在施工前，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壩料碾壓試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定碾壓參數(shù)，并結(jié)合碾壓前后的試驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)施工工藝，盡可能減小壩體沉降。