地基對膠結砂礫石防洪堤受力特性影響研究

師現營，郭利霞，羅云，吳建新

（1.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475000；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；3.河南省信陽水文水資源勘測局，河南 信陽 464099；4.中牟縣城市管理局市政保障所，河南 鄭州 450099）

0 引言

防洪堤建筑材料主要為土、石或混凝土，混凝土因安全可靠被越來越多的防洪工程應用，但水泥用量大，強度過高，造成材料浪費，因此尋求保證安全、降低成本和環境友好的堤防十分必要。膠結砂礫石是使用少量的膠凝材料（水泥、粉煤灰）和工程現場不篩分、不水洗的砂礫石料拌合而成。筑堤時采用攤鋪、振動碾壓而成，在材料可取地區可實現高效施工、低成本建設，國內采用膠結砂礫石建成的堤壩工程有貴州兩趕山、花魚井山塘。

岷江犍為航電樞紐工程為典型的膠結砂礫石筑壩試驗工程，堤底地基分布著8.30～10.50 m厚的砂礫石，當地砂礫石儲量豐富，采用膠結砂礫石筑堤造價低、安全性好。岷江犍為航電樞紐工程堤頂寬度6.00 m，最大堤高14.10 m，采用混凝土防滲墻和壩體保護層的防滲措施，堤長超過80 km。

修建于砂卵石地基上的犍為防洪堤，根據《堤防工程設計規范》，采用富漿膠結砂礫石對基礎砂卵石進行局部置換可滿足工程沉降和受力要求，可見地基對堤防影響較大，特別是針對膠結砂礫石防洪堤這種新型材料結構形式。文章通過數值模擬手段，對不同地基條件下膠結砂礫石防洪堤受力進行分析，考察其影響，為工程設計和應用提供依據。

1 膠結砂礫石堤基礎特性

《膠結砂礫石筑壩技術導則》對膠結砂礫石壩基礎提出要求：需具有足夠的強度，滿足壩基承載力要求，可建在弱風化上部基巖上，在一定條件下，經論證還可適當放寬。

根據相關文獻把巖石地基分為堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖五類，并按照其完整程度劃分為Ⅰ～Ⅴ五級，特征參數參見文獻和《水運工程巖土勘察規范》JTS133-2013。

2 地基對膠結砂礫石防洪堤的影響

膠結砂礫石作為一種膠結材料，澆筑后會產生水化熱，對工程影響較大。為了量化地基對膠結砂礫石防洪堤的影響，以犍為防洪堤為研究對象，采用數值模擬的手段對其進行施工期仿真計算分析。

2.1 有限元模型及參數

選取犍為防洪堤為原型，網格剖分時充分考慮壩體材料分區，防洪堤壩踵和壩趾基巖出分別延伸22.20 m，壩軸線垂直水流方向壩段延伸20 m，基巖深度10 m，河床部位按實際地形條件簡化，剖分后網格見圖1。

圖1 有限元模型及特征點布置圖

在溫度場仿真計算時，基礎底面及四周、計算域對稱面均為絕熱邊界，其它面為存在熱量交換的邊界；在應力場仿真計算時，基礎底面為鉸支座，四周為連桿支撐。

壩體內部采用普通膠結砂礫石，防滲層及保護層為富漿膠結砂礫石，相關配比見文獻所示。仿真計算壩體材料采用基于水化度的膠結砂礫石溫度與應力計算理論與模型，考慮膠結砂礫石絕熱溫升、自生體積變形的影響。地基選取典型的破碎巖石，即碎石和渣石，材料特性參數見表1、表2。

表1 膠結砂礫石熱學參數及線脹系數表

表2 膠結砂礫石力學參數表

2.2 工況設置

采用材料線彈性模型進行膠結砂礫石防洪堤施工期溫度場應力場分析，考慮年平均1.20 m/s 的風速影響，按照通倉碾壓施工的方式，每倉碾壓高度約0.50 m，澆筑日期為7 月1 日，每層間隔1 d。為了考察地基的影響，工況設定見表3。

表3 工況設定表

2.3 地基對防洪堤受力特性影響分析

2.3.1 工況1計算結果

工況1 模擬計算分析，為精簡，僅顯示部分不利特征點變化和典型剖面溫度應力圖，見圖2。

圖2 工況1膠結砂礫石堤特征分析圖

防洪堤采用富漿膠結砂礫石為上游防滲，底部墊層富漿砂礫石，內部采用貧水泥的膠結砂礫石，隨著水化反應放熱，剛澆筑的材料溫度迅速上升，因導熱差內部熱量無法及時散發，形成早期內外溫差。后期內部溫降幅度大于表面溫降幅度，形成基礎溫差。

從特征點應力歷時可知，早期因內外溫差作用易導致表面早期開裂（表層點K5、K6、K9、K10、K13和K14應力值超過允許值），同樣的后期因基礎溫差加之地基的強約束作用導致K5、K6極易更進一步出現裂縫開展現象，對結構不利，其他部位相對安全。

2.3.2 工況2計算結果及對比

對工況2進行模擬計算分析，選取最不利特征位置分析溫度應力變化，見圖3。

圖3 工況2膠結砂礫石堤特征分析圖

工況2因澆筑于剛度較大的碎石地基，其他同工況1相同，故二者的溫度、應力場近似一致，這里不加贅述。但由于地基剛度變大，壩體強約束區受地基約束增強，整體受力增大，開裂風險增加。

2.3.3 工況3計算結果及對比

對工況3進行模擬計算分析，選取最不利特征位置分析溫度應力變化，見圖4。

圖4 工況3膠結砂礫石堤特征分析圖

工況3較工況1相比增加了墊層的厚度，提升了金包銀的結構形式，因富漿膠結砂礫石的增加，導致水化熱也增大，但因膠結砂礫石本身絕熱溫升較低，故溫度增加不明顯。

由于地基約束同工況1，但強約束區采用了富漿膠結砂礫石，故強度也增加，故強約束區開裂的風險不大，整個壩體幾乎不會產生開裂的可能性。

3 結語

膠結砂礫石用于筑堤是一種新的嘗試，為進一步推進該防洪堤形式的應用，選取工程應用中重要的地基適應性問題進行分析，以犍為防洪堤為研究對象，考察其基礎設置問題，結果表明，軟巖或碎石地基上均可修建防洪堤，在滿足承載力和滲流要求的地基上，地基條件越差，堤防開裂風險越低，因膠結砂礫石材料強度低而引發的安全問題，可通過設置墊層及加大強約束區材料性能來解決，該研究可謂為膠結砂礫石堤壩結構設計提供理論依據。