復(fù)雜地基下高心墻堆石壩變形特性影響研究

袁上豐，陳建康，張 瀚，王萬千，盧 祥，周正軍

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065;2．四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065;3.國家能源集團(tuán)國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610047；4.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

0 研究背景

隨著西部大開發(fā)及西電東送發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和筑壩技術(shù)的發(fā)展，我國西南部地區(qū)目前在建和擬建壩高100～200 m量級的堆石壩已有10座以上[1]，對于這些重大水利水電工程，充分保證其安全性是進(jìn)行工程建設(shè)的核心問題。然而，我國西南部地區(qū)河流中深厚覆蓋層普遍發(fā)育，壩體往往建于深厚覆蓋層上，在這種復(fù)雜地基條件上，如何科學(xué)把控這些高壩工程運(yùn)行中的變形特性具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[2]。

工程經(jīng)驗(yàn)表明，過大的后期變形通常是導(dǎo)致堆石壩裂縫等破壞現(xiàn)象的主要原因[3]。為此，針對高心墻堆石壩的變形特性問題，大量科研人員通過理論或試驗(yàn)、數(shù)值模擬等不同方法對高心墻堆石壩的變形特性進(jìn)行了研究[4-7]。而對于建立在深厚覆蓋層上的高心墻堆石壩來說，其變形的影響因素除壩體分區(qū)、材料特性、壩體結(jié)構(gòu)等影響外，還與河谷地形、壩高及覆蓋層厚度等因素密切相關(guān)[8,9]。褚福永[10]已采用三維有限元方法對比分析了不同河谷寬高比時竣工期心墻堆石壩的應(yīng)力和變形。目前，對于深厚覆蓋層上的高心墻堆石壩，關(guān)于覆蓋層的厚度與壩高對堆石壩變形特性的影響規(guī)律分析的研究資料較少，尚缺乏系統(tǒng)性的分析。為此，針對這一問題，本文利用三維有限元數(shù)值模擬方法，根據(jù)已建多座高心墻堆石壩壩高及地基厚度情況，及其壩體、地基材料力學(xué)參數(shù)，按照不同壩高與覆蓋層厚度擬定了20種計(jì)算方案，探求了在復(fù)雜地基下對高心墻堆石壩壩體變形特性及量值與壩高、覆蓋層厚度之間響應(yīng)關(guān)系。

1 研究方案

1.1 方案設(shè)計(jì)

表1中統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)多個高心墻堆石壩工程的壩高及覆蓋層厚度[11]。由統(tǒng)計(jì)可知，我國大部分高心墻堆石壩都分布在我國西南地區(qū)。對西南地區(qū)的主要河流覆蓋層深度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[12,13]，覆蓋層在我國西南地區(qū)流域如金沙江、岷江、雅礱江、大渡河中普遍發(fā)育，深度多分布在100 m范圍內(nèi)，局部地區(qū)達(dá)到100 m以上，且覆蓋層在物質(zhì)組成上存在一定的共性[14]。

表1 國內(nèi)覆蓋層上的高心墻壩工程Tab.1 High core rockfill dams on the overburden in China

從表1的統(tǒng)計(jì)可知，目前國內(nèi)高心墻壩的壩高分布范圍大致在100～200 m內(nèi)，200 m以上建成數(shù)量較少，因此探討100級及200級大壩變形在不同覆蓋層厚度的特征及區(qū)別很有必要。于是，擬定100、140、180、250 m 4種典型壩高，再結(jié)合西南片區(qū)地基情況，擬定 0、30、60、90、120 m 5種情況的覆蓋層厚度，每種壩高分別對應(yīng)5種覆蓋層厚度，共20種方案。具體計(jì)算方案見表2。

表2 高心墻堆石壩變形計(jì)算方案Tab.2 High core rockfill dam deformation calculation plans

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)規(guī)范《碾壓土石壩規(guī)范》SL276-2001中建議，再對國內(nèi)外已建或在建的100 m以上的多個高心墻堆石壩橫斷面尺寸統(tǒng)計(jì)可知，250 m以下土石壩頂寬度一般在10～20 m之間，多數(shù)為15 m左右；上游壩坡坡率為1∶1.7～1∶2.7，下游壩坡坡率為1∶1.5～1∶2.5，多數(shù)在1∶2左右。直心墻坡率多為1∶0.2左右。根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)，按如下方式設(shè)計(jì)斷面尺寸：大壩頂寬為15 m，上下游壩坡坡率均取1∶2.0；直心墻坡率上下游均取1∶0.2。河谷剖面選取采用典型的平直河谷，模型采用分層加載方式逐級填筑，按壩高不同分別以10～15 m不等的加載層高進(jìn)行加載，水荷載以3級加載方式依次加載于壩體心墻上游面之上。模型三維有限元網(wǎng)格示意圖見圖1～圖2。

1.3 參數(shù)選取

大壩土料及基礎(chǔ)本構(gòu)模型采用鄧肯-張E-B模型。由于對土石壩變形特性影響最大的材料主要有：壩體主次堆石、壩體心墻料、河床覆蓋層，為此分析了獅子坪、瀑布溝、糯扎渡、水牛家等5個工程的壩體，地基材料參數(shù)。其計(jì)算所用的參數(shù)中，壩殼堆石、過渡層和反濾層是根據(jù)以上5個工程類比而選定的，其余均的則是根據(jù)試驗(yàn)成果，并參照已建工程所采用的參數(shù)確定的，最后選取表3非線性計(jì)算參數(shù)作為模型的計(jì)算參數(shù)。

圖1 心墻堆石壩三維有限元網(wǎng)格圖Fig.1 Three-dimensional finite element mesh diagram of core rockfill dam

圖2 心墻堆石壩大壩網(wǎng)格圖Fig.2 Core rockfill dam grid diagram

表3 心墻堆石壩變形計(jì)算參數(shù)表Tab.3 Core rockfill dam deformation calculation parameter table

2 結(jié)果分析

2.1 壩體變形特性分析

對上述方案下的堆石壩體進(jìn)行三維有限元計(jì)算。分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于不同的壩高，不同厚度覆蓋層下，變化規(guī)律基本一致：順河向變形量值下游大于上游，最大水平變形發(fā)生在下游堆石區(qū)1/3高程偏心墻處；沉降變形量值上游略大于下游，最大沉降出現(xiàn)在壩高1/3～1/2心墻區(qū)域。這種規(guī)律是由分層碾壓、填筑材料物理力學(xué)特性的非線性、水荷載和壩體結(jié)構(gòu)形態(tài)等共同作用形成的。圖5、圖6給出了壩高為250 m，覆蓋層厚度為120 m方案下最大橫剖面順河向水平位移和沉降等值線圖。

圖3 最大橫剖面順河向水平位移等值線圖(H=250 m，h=120 m)(單位：m)Fig.3 Maximum cross-sectional horizontal displacement contour map(H=250 m,h=120 m)

圖4 最大橫剖面沉降等值線圖(H=250 m，h=120 m)(單位：m)Fig.4 Maximum cross-section settlement contour map(H=250 m,h=120 m)

2.2 覆蓋層厚度影響規(guī)律分析

為進(jìn)一步分析覆蓋層厚度對壩體變形的影響，圖5(a)～(d)給出了對于相同壩高下最大橫剖面隨覆蓋層厚度的變化規(guī)律。從圖5可以看出：①三向位移量總體隨著覆蓋層厚度的增加而增加，另外由于大壩沉降是大壩與地基沉降共同的作用，順河向變形主要以壩體變形為主，因此覆蓋層厚度變化對大壩沉降影響遠(yuǎn)大于順河向變形；②不同壩高覆蓋層變化對變形的影響關(guān)系不完全一致，在壩高180 m以下，變形隨著覆蓋層增大其增幅也變大，當(dāng)覆蓋層在250 m時，變形隨著覆蓋層增大增幅減小，究其原因認(rèn)為，當(dāng)大壩高于一定高度時，沉降變形中壩體沉降影響逐漸增大，外加壩體自重載荷對地基壓縮的影響隨應(yīng)力沿程耗散而漸趨收斂，這時就出現(xiàn)在高壩時覆蓋層達(dá)到一定厚度時增幅減緩的情況。

2.3 壩高影響規(guī)律分析

圖6(a)～(e)給出了對于相同覆蓋層厚度最大橫剖面位移隨壩高的變化規(guī)律。從圖6可以看出：①三向位移量總體隨著壩高的增加而增加，由于壩高增加帶來垂向壓縮量大于側(cè)向變形量，水荷載會產(chǎn)生水平向推力會使大壩向順河向移動，因 此沉降受壩高變化影響比順河向大，下游順河向水平位移增幅略大于上游。②壩高變化對變形的影響關(guān)系不完全一致，在覆蓋層在100 m以下時，隨著壩高增大其變形的增幅也變大，當(dāng)覆蓋層在120 m時，隨著壩高增大其變形增幅減小，查看了計(jì)算地基變形量值，初步分析認(rèn)為，由于上部荷載對地基的影響在一定范圍，會隨著覆蓋層加深而減弱，并且衰減不是線性，到達(dá)一定深度會加速衰減，當(dāng)覆蓋層較淺時，由于我們分析的都是100 m級高壩，荷載還沒完全進(jìn)入快速衰減區(qū)，壩高荷載影響范圍在覆蓋層內(nèi)基本屬于強(qiáng)區(qū)域，當(dāng)覆蓋層較深時，壩高荷載影響范圍基本在覆蓋層內(nèi)，但壩高到一定程度，壩高荷載影響范圍超過覆蓋層厚度，因此隨壩高增加增幅會有所減少。

圖5 不同壩高H下位移隨覆蓋層厚度變化曲線圖Fig.5 Curves of displacement with thickness of overburden under different dam heights

圖6 不同覆蓋層厚度h下位移隨壩高變化曲線圖Fig.6 Curve of displacement with dam height under different thickness of overburden

3 結(jié) 論

通過對本文各方案計(jì)算成果的對比分析，可以得到以下主要結(jié)論。

(1)不同壩高不同覆蓋層的變形規(guī)律基本一致，順河向變形量值下游大于上游，最大水平變形發(fā)生在下游堆石區(qū)1/3高程偏心墻處；沉降變形量值上游略大于下游，最大沉降出現(xiàn)在壩高1/3～1/2心墻區(qū)域。

(2)壩高、覆蓋層厚度與堆石壩的變形量值呈正響應(yīng)關(guān)系，其中對沉降變形的影響大于水平向，但不同壩高及不同覆蓋層與堆石壩的變形量之間的響應(yīng)關(guān)系不完全一致，初步分析原因認(rèn)為主要是壩體自重載荷對地基壓縮影響隨著應(yīng)力沿程耗散而逐漸收斂，影響具有一定范圍，這個范圍引線并不是線性的，因此響應(yīng)關(guān)系會與壩高及覆蓋層厚度之間的比值有關(guān)。同時這現(xiàn)象也證明了高心墻堆石壩對覆蓋層具有一定的適應(yīng)能力，地基處理時應(yīng)根據(jù)壩高不同制定方案，更重視上層覆蓋層的處理。

(3)目前碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL.T5395-2007)，主要根據(jù)100 m以下的壩統(tǒng)計(jì)制定了“土質(zhì)防滲體分區(qū)壩竣工后的壩頂沉降量不宜大于壩高的1%”，認(rèn)為超過該標(biāo)準(zhǔn)壩體容易開裂，在計(jì)算的20個方案中，僅有方案1.1、1.2、2.1的沉降值占壩高的比例未超過1%，其余方案沉降值占壩高比例均超過1%，結(jié)合監(jiān)測資料來看，很多大壩也超過這個標(biāo)準(zhǔn)，并且從前面分析，大壩的沉降量值應(yīng)綜合考慮壩高和覆蓋層厚度，因此針對高壩這個標(biāo)準(zhǔn)取值還需進(jìn)一步研究。

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