溢流式面板堆石壩壩身變形特性敏感性研究

耿 旭，李懷斌，劉 辛，黨海霞，李 祥，渠繼顯，任國兵，吳 俊

(1.貴州新中水工程有限公司，貴陽 550000； 2.六枝特區水務局，貴州 六盤水 553400；3.貴州省建材產品質量監督檢驗院，貴陽 550000； 4.安順市水利水電勘測設計院，貴州 安順 561000)

1 概 述

克羅蒂面板堆石壩[1]是世界上首次在面板壩頂及下游壩面上布置開敞式溢洪道的工程。其加固措施為：在每一塊疊瓦式底板的頂部布置水平阻滑板，同時還在底板和壩體之間布置水平錨筋[1-2]。根據克羅蒂壩的監測資料[1]，認為澳大利亞設計尚有富余；一些學者關于底板抗滑穩定的研究認為，基于靜力分析理論，溢流面板堆石壩底板加固措施可作簡化。據此，并結合已建工程的底板加固措施和施工的可行性，提出一種鋼筋混凝土格柵式底板加固措施，即在每塊泄槽底板頂端與壩體之間，布置水平外包混凝土的錨拉筋與埋在壩體內的預制混凝土橫梁連接起來所形成的加固形式[2-6]。

文獻[2-3]從探討改變流速、加固措施長度和底板厚度等參數，分析穩定安全系數的變化規律；推導帶水平加固措施的溢洪道底板靜力抗滑穩定安全系數計算式，運用正交設計直觀分析方法，對底板抗滑穩定敏感性進行研究，底板厚度和寬度對穩定性的影響較弱。溢流式面板壩壩體變形以及隨之而來的裂縫導致滲漏和壩身穩定安全的問題，因此本文采取壩身變形特性來探討加固措施中各因素之間的敏感性。文獻[2]采用的流速為平均流速，而根據文獻[7]和文獻[8]溢流面上各斷面的流速是變化的，為真實反映泄槽底板的水平拖拽力和脈動壓力，本文采用分段求和法計算各斷面的流速。

2 影響溢流面壩身變形特性敏感性分析

為探索錨固梁寬度、錨固梁高度、錨拉筋長度、錨固板長度、泄洪量以及堰頂插筋長度等因素對溢流面壩身變形的影響，采用正交設計方法，依托在建工程松樹林水庫，采用非線性彈性模型(鄧肯E-B模型)進行分析。在建工程松樹林水庫溢流面典型剖面見圖1，采用的鄧肯E-B模型[11]參數見表1，各因素水平見表2，正交設計試驗結果見表3。

圖1 松樹林水庫溢流面典型剖面

表1 松樹林水庫E-B模型參數

表2 各因素水平

表3 正交設計試驗結果

續表3

各因素的水平改變對變形量的影響不同，極差越大的因素對變形量的影響越大[12]。表3中各因素對溢流面壩身變形的敏感性排序為：F(堰頂插筋長度)>C(錨固鋼筋長度)>B(錨梁高度)>A(錨梁寬度)>E(流量)>D(錨固板長度)。

為便于探討各指標隨因素水平變化的情況，采用Oringin處理表3數據，見圖2-圖5。各點之間實際不是直線，但為便于分析，將各點用直線連接起來。為便于討論各因素與變形量的關系，將C因素、D因素、F因素的數據均縮小10倍，E因素數據縮小100倍，以便放在同一圖像中分析；圖3中因素增量均為各水平減去第1水平。

圖2 因素F與變形量變化規律

圖3 因素F增量與變形量增量變化規律

圖4 各因素與變形量變化規律

圖5 各因素增量與變形量增量變化規律

結合表3及圖2-圖5分析各因素對變形量的影響：

1) 堰頂插筋長度F對變形量的影響。從表3得出，堰頂插筋長度的極差是最大的，堰頂插筋長度是影響變形量的最大因素。從圖2中得出，堰頂插筋長度6 m時變形量最小0.084 98 m，2～3 m時變形量增加，3～6 m變形量減小，在3 m處出現極大值0.091 28 m。從圖3中得出，堰頂插筋長度增量與變形量增量呈負增長趨勢，擬合曲線方程為y=-0.002 09x+0.004 07，R2=0.994 98。根據試驗結果，堰頂插筋長度較小時，不能有效減小變形，隨著堰頂插筋長度增加，變形量降低；堰頂插筋長度增量與變形量增量呈負增長趨勢。

2) 錨固鋼筋長度C對變形量的影響。從表3得出，錨固鋼筋長度的極差比堰頂插筋長度的極差小，排在第二，錨固鋼筋長度是影響變形量的次要因素。從圖4中得出，錨固鋼筋長度4～8 m時，變形量隨著錨固鋼筋長度的增加而減小；錨固鋼筋長度8～12 m時，變形量隨著錨固鋼筋長度的增加而增加；在錨固鋼筋長度8 m處出現極小值0.087 9 m。從圖5中得出，變形量增量在錨固鋼筋長度8 m出現拐點，拐點之前的變形量增量隨著錨固鋼筋長度增量的增大而減小，拐點之后變形量增量隨著錨固鋼筋長度增量的增大而增大。根據試驗結果，在一定范圍內(小于錨固鋼筋長度8 m)，增加錨固鋼筋長度有利于減小變形量，錨固鋼筋長度大于8 m，增加錨固鋼筋長度反而增加變形量。

3) 錨梁高度B對變形量的影響。從表3得出，錨梁高度是影響變形量的第三因素。從圖4中得出錨梁高度0.7 m時變形量最小，0.4～0.7 m變形量降低，而0.7～0.8 m時變形量增加，變形量最小值0.088 m。從圖5中得出，錨梁高度增量在一定范圍內隨著增量的增大，變形量增量減小，突變點在0.6～0.8 m之間，隨著錨固鋼筋長度增量增加，變形量增量反而增加。根據試驗結果，錨梁高度在一定范圍內隨著高度增加有利于減小變形量，但隨著高度的繼續增加，變形量反而增加。錨梁高度在0.7 m(含0.7 m)至0.8 m之間時，變形量最小。

4) 錨梁寬度A對變形量的影響。從表3得出，錨梁寬度的極差是0.000 58，錨梁寬度變化對變形量的影響比錨梁高度對變形量的影響小。從圖4中得出，錨梁寬度與變形量呈負增長趨勢，擬合曲線方程為：y=-0.002 09x+0.004 07，R2=0.994 98，增加錨梁寬度有利于降低變形量。從圖5中得出，錨梁寬度增量與變形量增量呈負增長趨勢，擬合曲線方程為：y=-0.001 36x-0.000 05，R2=0.913 83。根據試驗結果，變形量隨著錨梁寬度增大而減小，增加錨梁寬度有利于減小變形，且呈線性減小。

5) 流量E對變形量的影響。從表3得出，流量的極差0.000 56，流量變化對變形量的影響比錨固板長度對變形量的影響大。從圖4中得出，在設計流量和校核流量時變形量均較小(0.088 22和0.088 24 m)；其他流量時的變形量均比設計流量和校核流量時的變形量大，呈W型。從圖5中得出，流量增量與變形量增量呈W型。根據試驗結果，流量與變形量呈W型，流量增量與變形量增量呈W型,下泄流量在設計流量和校核流量時變形量最小,其余流量下變形量均比設計流量下變形量大。

6) 錨固板長度D對變形量的影響。從表3得出，錨固板長度的極差最小，錨固板長度變化對變形量的影響最小。從圖4中得出，隨著錨固板長度的增加，變形量整體呈下降趨勢，但在錨固板長度4 m處變形量出現極值0.088 38 m，錨固板長度大于4 m，變形量隨著錨固板長度增加而增加。從圖5中得出，變形量增量與錨固板長度增量呈拋物線型，擬合曲線為y=-0.000 05x2+0.000 26x-0.000 71，R2=0.992 31。根據試驗結果，錨固板長度4 m時變形量最小，變形量增量與錨固板長度增量呈拋物線型。

3 結 語

基于正交設計試驗，對影響溢流面壩身變形的錨固梁寬度、錨固梁高度、錨拉筋長度、錨固板長度、泄洪量以及堰頂插筋長度等因素進行極差分析，主要結論如下：

1) 各因素對溢流面壩身變形的敏感性排序為：F(堰頂插筋長度)>C(錨固鋼筋長度)>B(錨梁高度)>A(錨梁寬度)>E(流量)>D(錨固板長度)。

2) 堰頂插筋長度較小時，不能有效減小變形，隨著堰頂插筋長度增加，變形量降低；堰頂插筋長度增量與變形量增量呈負增長趨勢。在一定范圍內(小于錨固鋼筋長度8 m)，增加錨固鋼筋長度有利于減小變形量，錨固鋼筋長度大于8 m，增加錨固鋼筋長度反而增加變形量。錨梁高度在一定范圍內隨著高度增加有利于減小變形量，但隨著高度的繼續增加，變形量反而增加。錨梁高度在0.7 m(含0.7 m)至0.8 m之間時，變形量最小。變形量隨著錨梁寬度增大而減小，增加錨梁寬度有利于減小變形，且呈線性減小，擬合曲線方程為y=-0.002 09x+0.004 07，R2=0.994 98。流量與變形量呈W型，流量增量與變形量增量呈W型,下泄流量在設計流量和校核流量時變形量最小,其余流量下變形量均比設計流量下變形量大。錨固板長度4 m時變形量最小，變形量增量與錨固板長度增量呈拋物線型。

3) 本文討論的變形是壩體總變形的最大值，試驗中考慮不同土體之間的接觸以及加固措施中各因素之間的接觸，試驗結果可能與不考慮接觸的試驗結果有差別。本文討論采用的鄧肯E-B模型，試驗結果可能與雙屈服面彈塑性模型的試驗結果有差別。