深厚覆蓋層灌漿帷幕體與壩基變形協調數值計算分析研究

肖德序

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 研究背景

在深厚覆蓋層上建土石壩，基礎防滲形式多以封閉式帷幕為主，當覆蓋層很深時，受施工機械設備和施工工藝的控制，采用基礎灌漿成帷幕體，是比較現實的處理方式。開展對深厚覆蓋層灌漿幕體的應力和變形狀況研究，幕體與覆蓋層、廊道以及壩體防滲結構之間的變形和應力不連續變化情況研究工作，了解帷幕結構的工作狀態，是本文研究的主要目的。

2 研究路線和方法

深厚覆蓋層與一般淺覆蓋層的主要區別在于其形成條件復雜，體現為多層性，西部地區河床深覆蓋層多表現為：（由下而上） 冰積層——淤泥或粉土層——崩積及沖積混雜堆積層——粉土層——卵石礫石層——現代沖積砂卵礫石層組成，或由崩積架空的塊石層與沖積砂卵石層交互組成，且孔隙率和透水率較淺埋覆蓋層小。

在實際工程建設中，表層的架空塊石層多不作為建壩基礎，而是選擇穩定性、強度、密實度相對較好的沖積砂卵石層作為建壩基礎，對于可能發生液化或其它嚴重穩定和變形問題的地基也要進行嚴格的處理才能作為建壩基礎，因此在分析中對覆蓋層分層進行了適當簡化，選擇典型分層。采用數值分析的方法對帷幕體、地基應力和變形狀況進行分析。

3 深厚覆蓋層灌漿帷幕體與壩基變形協調數值分析計算

3.1 計算軟件

采用MIDAS/GTS 軟件通過MIDAS GTS 有限元程序進行分析，按E－V非線性本構關系進行結構的應力應變分布情況分析。

3.2 計算模型

本文主要分析帷幕體自身剛度、厚度、深度及其滲透性對其協調性的影響。有限元壩體模型見圖1～3：壩基模型大小根據試算進行確定，以邊界條件對關注部分區域不產生質的影響為控制標準。最終確定壩基模型上游邊界距壩蹤500 m，下游邊界距壩趾500 m，底部邊界距壩基420 m。模型共劃分單元32341 個，節點32552 個。

圖1 100 m 壩體典型斷面

圖2 100 m 有限元壩體模型

圖3 100 m 有限元整體計算模型

3.3 壓應力分析

計算成果顯示：幕體彈性模量由200 MPa 增加至2000 MPa的過程中，整體壓應力變化不大。但在局部的應力分布中，彈性模量2000 MPa 工況中的應力集中度較200 MPa 的要強，大應力范圍適當要大，應力量級沒有大的變化，應力集中程度相應增加，詳見圖4～5。

從計算成果表及其變化趨勢圖可以知道，100 m 級壩中隨著幕體彈性模量的增加幕體等壓應力量級分布面積隨其變化的敏感性減弱，并逐漸趨于穩定。其中，當幕體強度小于0.8 GPa 時，幕體等壓應力量級的分布面積相對較為敏感，具體詳見圖6。

圖4 壓應力分布圖（100 m 200 MPa）

圖5 壓應力分布圖（100 m 2000 MPa）

圖6 100 m 幕體壓應力面積隨幕體強度變化趨勢圖

3.4 剪應力分析

在100 m 級壩模型計算中，其剪應力大于0.3 MPa 的集中區域在壩基的上下游，而不是集中在幕體上，若存在剪切破壞首先發生在幕體以外的其它部位，但不存在剪應力超過0.4 MPa的區域，如圖7。

圖7 100 m 級壩基剪應力分布圖

4 強度變形協調分析

4.1 沉降梯度范圍分析

在100 m 級壩的計算成果中，位移梯度較大的范圍在幕體分界面附近3.0 m 范圍內，即幕體分界面內1.0 m、分界面外2.0 m 范圍內的位移梯度比較大。其中，位移梯度超過0.5 mm/2 cm 的寬度約0.5 m，其余較大位移梯度范圍的位移梯度均小于0.5 mm/2 cm，最大位移梯度超過1 mm/2 cm，接近1.5 mm/2 cm。突變點位置、梯度較大區域不隨幕體強度的變化而變化，梯度變化弧度存在一定的變化，但變化幅度不大，基本可以忽略，詳見圖8。

圖8 位移梯度隨幕體強度變化趨勢圖

4.2 沉降梯度最大值分析

在100 m 級壩的計算分析中，最大位移梯度隨幕體強度的增大而增加，但增加的幅度不大，基本可以忽略，詳見圖9。

圖9 最大位移梯度隨幕體強度變化趨勢圖

4.3 沉降梯度突變點分析

在100 m 級壩中，梯度變化突變點在幕體分界面上，其梯度較大值分布在分界面附近3.0 m 范圍，幕體內部1.0 m，覆蓋層內2.0 m。詳見圖10。從圖可以得出如下結論：

1）較大位移梯度范圍隨幕體強度、厚度、深度的變化存在-1.0～2.7 mm/2 cm 的變化，相對位移值，其變化的弧度不大；隨高程的變化，較大位移梯度范圍由±2.7 mm/2 cm 逐漸變小至±0.4 mm/2 cm，在接近幕體腳部時逐漸增大至±1.2 mm/2 cm。

2）最大位移梯度隨幕體強度的增大而增加，但增加的幅度不大，基本可以忽略。在100 m 級壩的計算分析中，最大位移梯度隨幕體強度的增大而增加，但增加的幅度有限。

3）較大位移梯度突變點隨幕體強度、厚度、深度、高程的變化基本不發生變化。

4）梯度的大小隨幕體強度、厚度、深度、高程等參數均存在一定的波動，但波動的弧度不大，基本可以忽略。

圖10 位移梯度隨幕體強度變化趨勢圖

5 結論

1）幕體壓應力、剪應力、最大位移、豎直位移梯度對幕體的強度、厚度、深度三因素敏感性不強，在計算工況范圍內的變化幅度小于總數的5%。

2）幕體壓應力、剪應力的量級主要取決于壩基以上載荷的大小，對其自身參數的敏感性相對要低。

3）幕體剪應力除局部應力集中點較大外，其余部位剪應力量級及其規模遠小于壩基覆蓋層幕體以外的剪應力及其規模。

4）位移梯度隨高程的變化，較大位移梯度范圍先逐漸變小，在接近幕體腳部時逐漸增大。

5）較大位移梯度突變點隨幕體強度、厚度、深度、高程的變化基本不發生變化。100 m 級壩的位移梯度突變點在幕體分界面上。

6）較大位移梯度區域隨著壩基上部荷載的增大而增加，在100 m 級壩中，位移梯度超過1 mm/2 cm 的區域較小，不超過0.5 m。