巨厚覆蓋層上高閘壩沉降控制 關鍵技術研究與實踐

任 葦，王君利，李國英

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安市 710003；2.南京水利科學研究院，南京市 210003)

0 引言

河床巨厚覆蓋層是指堆積于河谷之中，厚度大于40m的第四紀松散堆積物［1］，資料顯示(見表1)，西藏多布水電站建成以前，軟基上中國最高的擋水建筑物為大渡河一級支流瓦斯河上的小天都水電站，該電站裝機容量為240MW，泄洪排沙閘高39m［2］。基礎覆蓋層深度最大的是江邊水電站，為109m，裝機容量為330MW，閘壩最大高度32m［3］。國外覆蓋層基礎上修建重力式混凝土閘壩資料較少，原蘇聯的古比雪夫水電站位總裝機容量為2300MW，最大壩高為45m，基礎為48m厚黏土層［4］，工程效果良好。

表1 國內外部分深厚覆蓋層上水電建筑物統計表Table 1 Statistics of hydropower structures built on giant-thick overburden both at home and aboard

在中國西南地區，特別是西藏地區河床覆蓋層分布尤為廣泛，一般厚度均在100m以上，局部地區厚度可達300～600m不等，該區域覆蓋層分布規律性差，結構和級配變化大［5］，這些覆蓋層上重力閘壩的沉降控制問題突出，本文依托西藏多布水電站(建成照片見圖1)，河床擋水廠房壩段高54.3m，基礎覆蓋層厚度達360m，水庫正常蓄水位3076.00m，相應庫容6500萬m3。電站總裝機容量120MW，樞紐工程主要由河床土工膜砂礫石壩、8孔泄洪閘、2孔生態放水孔、發電廠房、左副壩及魚道等建筑物組成［13］。

圖1 多布水電站工程下游建成照片Figure 1 Photo taken at D/S of the Duobu HPP Built

1 沉降控制標準

依據SL 265—2001《水閘設計規范》［14］第8.3.6條的規定，土質地基允許最大沉降量和最大沉降差，應以保證水閘安全和正常使用為原則。天然土質地基上水閘地基最大沉降量不宜超過15cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5cm，對廠房壩段，根據SL 266—2014《水電站廠房設計規范》［15］，非巖基上廠房地基允許最大沉降量和沉降差，應以保證廠房結構安全和機組正常運行為原則。按機組運行安裝對土建結構的傾斜率要求，確定廠房上下游控制沉降差不大于4cm，同時參照GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》［16］第5.3.4條的規定復核綜合考慮，確定下游沉降差控制標準執行不大于4cm標準是合理的。

2 沉降控制技術

2.1 不同水工建筑物差異化地基處理技術

該工程建筑物中，廠房壩段為最高混凝土建筑物，基底最大壓應力0.56MPa，而相鄰的泄洪閘高度僅為26.5m，基底最大壓應力0.403MPa，相鄰建筑物基底應力相差30%，均需要針對不同上部結構及地基條件進行差異化處理。

1～6號泄洪閘基礎處理參考石佛寺、福堂、陰坪、金康等類似工程經驗，采用振沖碎石樁方案進行基礎處理。采用ZCQ-132kW振沖器，實際樁徑為1.5m，等邊三角形布置，間距2.5m，面積置換率為0.16，單樁豎向抗壓靜載荷試驗的承載力特征值為942kPa，檢測的3根淺層平板靜載荷試驗的地基承載力特征值為380kPa。試驗結果表明單樁承載力、地基承載力滿足設計要求。7～8號泄洪閘及生態放水孔處于強弱地基處理的過渡段，回填后基礎進行旋噴樁處理。

廠房壩段最大高度54.3m，2個機組為一個壩段，廠房壩段沿順水流方向可視為三部分：進水口段、機組段、尾水管段。廠房地基為砂礫石層。廠房屬于擋水建筑物，垂直、水平承載力大，同時受機組振動影響較大 ，為此，該工程引入建筑行業長短樁設計理念，原灌注樁作為長樁，樁長25m；灌注樁間增設旋噴樁作為短樁，旋噴樁設計樁長10m，間排距2.2m，經復核滿足設計要求。現場灌注樁靜載試驗顯示，單樁承載力達到1200t，大于設計要求的900t。

2.2 混凝土分區限高差澆筑沉降控制技術

不考慮施工順序時，根據沉降計算分析最大沉降量約8.2cm，總沉降量均滿足規范允許15cm的控制標準，但相鄰建筑物最大沉降差為3.9cm，雖然滿足5cm的沉降差限值，但仍然偏大，易造成止水變形破壞，本文提出了一種混凝土分區限高差澆筑變形控制技術，確保各建筑物沉降差均能滿足設計要求。結合實際施工條件，提出施工工序為：廠房壩段首先施工至3062.00m，然后施工上下游擋墻及墻后填土，最后依次施工泄洪閘、左副壩、廠房上部，同時確保各建筑物澆筑頂部高差不超過6m。

2.3 超深厚軟基適應變形止水組合關鍵技術

為解決該工程軟基變形帶來的防滲墻間止水可靠連接關鍵技術難題，創新組合了一套理論——“廣義塑性計算理論”、一套標準——“水工建筑物止水分區檢查處理標準”、四項發明——“一種防滲墻頂部凹槽止水結構”［17］、“連接板與防滲墻縫間連接的SR止水結構及其止水方法”［18］、“一種水電站廠房連接板基礎群孔回填灌漿工藝”［19］、“一種混凝土防滲墻”［20］等組合關鍵技術。

3 考慮應力路徑的廣義塑性本構模型三維有限元應力應變分析

3.1 考慮應力路徑的廣義塑性本構模型理論

多布水電站左岸混凝土閘壩建基于開挖后的覆蓋層上，基礎地面以上開挖的土層厚度達61m，其土體應力大于建筑物加載引起的附加應力，本次分析采用廣義塑性理論，該模型的優勢在于能夠反映覆蓋層土體的強度非線性、剪脹非線性特征，能夠適應復雜的應力加載路徑，并能夠考慮土體的加載歷史，客觀反映土體的超固結特性。該模型建立的過程如下：

在彈塑性模型中，總應變增量可以分解為彈性應變增量和塑性應變增量如式(1)：

式中 ?εij——總應變增量；

?εeij——彈性應變增量；

?εpij——塑性應變增量。

粗粒土的應力應變關系可以表示為：

式中?σ——應力增量；

Dep——彈塑性矩陣。

廣義塑性模型的彈塑性矩陣可以表示為：

式中De——彈性矩陣；

Dp——塑性矩陣；

ngL/U——加載或卸載時的塑性流動方向；

n——加載方向；

HL/U——加載或卸載時的塑性模量。

（1）塑性流動方向。

廣義塑性模型中加載時的塑性流動方向為 ：

為了模擬所謂的粗粒土“卸載體縮”現象，將土體處于卸載時的塑性流動方向定義為：

陳生水等人建議，對于土石材料，為了能夠反映剪脹性隨壓力的非線性減小規律， 推薦采用下式：

式中Md——材料由剪縮向剪脹過渡的相變應力比，α一般取0.5。

式中ψ——考慮了顆粒破碎的剪脹特征摩擦角；ψ0和 ?ψ——反映剪脹特征摩擦角變化的參數。

（2）加載方向定義。

加載方向可以定義為式(9)：

其中，df可以定義為：

根據鄧肯等人提出堆石料強度非線性公式：

式中?——內摩擦角；

?0和??——反映剪脹特征摩擦角變化的參數。

（3）塑性模量的定義。

對于無黏性顆粒材料，其等向壓縮規律可以由式(13)表示：

式中λ——壓縮參數；

κ——回彈參數；

m——一個材料參數；

pa——大氣壓力；

p0——參考壓力。

土石材料廣義塑性模型中，彈性模量建議為式（14）：

其中：泊松比υ一般認為是常數0.3。

塑性模量的定義是根據等向壓縮試驗的模量再加入考慮了剪切破壞的項得到的，根據Nakai的建議，砂土或者是粗粒土的等向壓縮規律可以由式(13)描述。

等向壓縮過程中的塑性模量可以由上式取微分形式得到，即對式(13)微分得到下式：

考慮到土顆粒的剪脹性和剪切效應后，可以將式(15)改進為一個半經驗的塑性模量表達式，表達為下式：

式(16)是在對多組粗粒土預測計算中逐步改進得到的，通過試驗驗證表明上式對粗粒土各應力路徑（如常規三軸、等P應力路徑、等應力比路徑）均能較好描述。

廣義塑性模型的建立除了反映單調加載下材料的力學性質外，還具有反映材料復雜加載、卸載下力學行為的能力，可反映土體的加載歷史（如超固結、循環加卸載等應力路徑），但是需要對不同的加載狀態采用不同的塑性模量形式。通常，卸載模量和再加載模量是連加載模量的基礎上改造得到的。一般地，土體卸載后的再加載模量可以定義為式（17）：

其中：

式（17）對式（16）的改造是基于兩方面的考慮。新加第一項HDM是為了反映卸載—再加載時塑性模量增大的現象即土體變硬，它就相當于在邊界面模型中的映射現象。新加的第二項Hden是為了反映不斷地循環加載時塑性模量隨著塑性應變累積逐步增大，塑性應變逐步累積并達到穩定的“棘輪效應”，這一項在邊界面模型中對應于正常固結屈服面在循環過程中的逐步擴張，這里沿用土力學中概念定義覆蓋層超固結參數OCR=σz,max/σz，其中σz,max為歷史最大豎向應力，σz為當前豎向應力。

同時，應該定義一個土體卸載時的塑性模量以反映土體在卸載時產生的變形，卸載模量可以定義為：

以上各式中，γDM、γd、ηu為三個反映循環加載的參數，這三個參數的確定需要根據加卸載試驗得到。

通過以上的定義不難看出廣義塑性模型的優勢，其不但能夠反映土體單調加載時的應力路徑，而且能夠在一定程度上反映土體的加載歷史。由式（17）可以看出，當歷史最大應力為當前應力時再加載，模量與初始加載模量相同，但是當歷史最大應力大于當前應力狀態時再加載模量則大于初始加載模量，能夠反映出超固結土模量增高的特點。同時也可以直接初始狀態中定義超固結度指標考慮覆蓋層地基開挖形成的類超固結特性。

3.2 考慮應力路徑的廣義塑性本構模型理論

三維計算成果表明，竣工期和蓄水期混建筑物最大沉降量為74mm，相鄰建筑物沉降差最大值為16mm。另外，現場監測成果表明，多布水電站采用的施工次序能夠有效控制建筑物之間的沉降差，基礎處理后，樞紐建筑物實測最大沉降量為69mm，發生在安裝間壩段，廠房最大沉降量為66mm，相鄰建筑物沉降差最大值為26mm，廠房上下游沉降差最大值1.3cm，均在設計預期范圍內，即混凝土建筑物單體沉降不超過150mm，相鄰壩段沉降差不超過50mm，廠房上下游沉降差不超過40mm的設計控制指標。各建筑物沉降差滿足中國《水閘設計規范》（SL 265—2001）要求。根據多布水電站施工及運行一年的沉降監測數據，進行了數值模型計算結果與現場監測數據驗證研究，對比結果表明，監測數據與計算成果基本一致。

4 結論

本文依托復雜巨厚覆蓋層上最高閘壩多布水電站工程，針對復雜巨厚覆蓋層高閘壩的沉降控制關鍵問題進行深入論述，提出了能夠保證機組穩定運行和結構安全的不均勻沉降和沉降標準，主要關鍵技術包括不同水工建筑物差異化地基處理技術措施和范圍、混凝土分區限高差澆筑沉降控制技術和隨層澆筑連續不間斷變形監測等系列關鍵技術。另外，文章創新性提出了考慮應力路徑的廣義塑性本構模型，該模型能夠反映覆蓋層土體的強度非線性、剪脹非線性特征，適應復雜的應力加載路徑，客觀反映土體的超固結特性，根據多布水電站施工及安全運行一年的沉降監測數據，結合數值模型計算結果對比表明，監測數據與計算成果基本一致，表明研究所采用的本構模型和計算方法是有效和合理的，采取的工程措施和處理范圍是合適的，為同類工程提供了有效的分析思路。