某水庫溢洪道泄槽段基礎處理及變形數值分析

郭玉龍，趙愛徐，蘇燦英

(大理州水利水電勘測設計研究院，云南 大理 671000)

1 基本情況

郭大寨水庫總庫容5093萬m3，為中型水利工程，工程等別Ⅲ等，主要建筑物由大壩、右岸溢洪道、左岸輸水隧洞和導流泄洪隧洞組成，大壩壩型為粘土心墻堆石壩，最大壩高83.5m。溢洪道布設于大壩右壩肩，緊靠大壩，為有閘控制河岸式溢洪道，溢洪道最大下泄流量(P=0.05%)Qmax=317.80m3/s，建筑物級別3級[1]。

溢洪道基礎大部分置于強風化角礫狀玄武巖、玄武巖的上部或中上部，但泄槽段中的一段(溢0+033.50～溢0+204.700)約171m，基礎置于松散的白云質灰?guī)r孤石、大塊石崩坡積層上，最大厚度大于30m。地表出露及鉆孔揭露，該層巖性結構不均，巖相變化較大，存在石間較大的架空現(xiàn)象，物理力學性質差異較大。

崩坡積層基礎處理原設計采用固結灌漿加固方案，但現(xiàn)場灌漿試驗段存在吸漿量巨大、密實度和基礎承載力提高不明顯等問題，必須調整基礎處理方案。借鑒類似工程實踐，將基礎處理方案調整為換填方案：鑒于郭大寨水庫溢洪道泄槽段(溢0+033.50～溢0+204.70)范圍內基礎崩坡積體厚度較大，易造成溢洪道泄槽段底板不均勻沉降及破壞。在泄槽底板底部增加厚1m的C20埋石混凝土換填層[2]，以增加底板與基礎的接觸面積，減小建筑物對崩坡積體基礎產生的應力，并在C20埋石混凝土底部敷設一層厚0.5m的碎石墊層，并予以機械碾壓，以增加基礎承載力。具體布置如圖1所示。

圖1 換填法典型橫斷面圖(單位：mm)

根據崩坡積層厚度較大，存在不均勻變形和沉降的特性，為分析評價基礎換填方案對基礎沉降變形的效果作用，需進行溢洪道泄槽段基礎沉降變形特性分析計算。為提高計算精度和成果可靠性，采用有限元數值模擬方法分析計算[3- 4]。

2 有限元數值模擬沉降變形分析計算

2.1 計算分析目的

郭大寨水庫溢洪道泄槽段基礎崩坡積堆積體允許承載力、變形模量較低，且崩坡積的物理力學性質和厚度存在較強的不均勻性，易產生不均勻沉降變形導致溢洪道結構發(fā)生破壞。因此，采用不同基礎換填擴展范圍、換填深度和結構縫形式方案組合，通過有限元數值模擬方法分析溢洪道竣工期及泄洪運行期的溢洪道底板沉降變形問題，研究崩坡積堆積體非均勻地基上采用置換法處理溢洪道基礎的可行性。并為基礎處理方案提供依據。

2.2 泄槽段荷載分析

2.2.1計算剖面

選取崩坡積體基礎泄槽段典型橫斷面及溢洪道縱斷面進行計算分析，結構縫采用接觸單元模擬。典型橫斷面計算網格圖如圖2所示，縱斷面計算網格圖如3所示。

表1 郭大寨水庫右岸溢洪道泄槽段底板主要荷載

圖2 典型橫斷面計算網格圖

圖3 縱斷面計算網格圖

2.2.2計算模型參數

計算分析所采用的材料物理力學參數見表2。

表2 材料參數表

2.2.3模擬過程

考慮到崩坡積體的流變特性，假定溢洪道沉降量主要發(fā)生在竣工后，分析溢洪道竣工期沉降特性及運行期的沉降特性。對地基、溢洪道施工以及溢洪道泄洪運行進行分級加荷模擬。

第1級：模擬天然地基；第2級：模擬溢洪道基礎開挖；第3級：若采用地基置換措施，則模擬碎石及混凝土填筑施工；第4級：模擬溢洪道施工；第5級：模擬溢洪道泄洪運行。

溢洪道泄洪運行工況，溢洪道底板荷載為靜水壓力、托拽力以及脈動壓力。考慮到拖拽力相對較小，采用溢洪道底板受2.5m靜水壓力作用的簡化處理方法。

2.2.4計算方案

典型橫斷面計算主要研究基礎換填擴展范圍及換填深度對溢洪道沉降量的影響，縱斷面計算主要研究基礎換填、結構縫形式對溢洪道總體沉降量及不均勻沉降現(xiàn)象的影響，計算方案見表3。

表3 計算方案表

2.2.5 典型橫斷面計算結果

典型橫斷面計算成果見表4，如圖4所示。采用基礎換填措施后溢洪道沉降量得到明顯改善，且隨著基礎擴展寬度的變大及換填深度的加深，溢洪道沉降量減小，采用1.0m擴展寬度、1.5m深換填深度(1m厚C20埋石混凝土換填層，0.5m厚碎石墊層)，溢洪道竣工期沉降量為11.3mm，運行期沉降量為16.8mm。

表4 典型橫斷面計算成果表

圖4 總位移云圖：GK4，基礎擴展寬度1.0m，換填深度1.5m

2.2.6縱斷面計算結果

縱斷面計算成果如圖5—6所示。

(1)方案FA1，結構縫采用豎直縫，基礎不換填。竣工沉降穩(wěn)定后，溢洪道最大位移量為28.0mm；結構縫豎向剪切位移方向大部分為下游底板相對向上錯動，最大值為5.7mm，發(fā)生在溢0+033.500處的結構縫處；結構縫張開同樣發(fā)生在溢0+033.500處的結構縫處，最大張開值為4.0mm。泄洪運行時，溢洪道最大位移量增大到46.0mm；結構縫豎向剪切位移方向大部分為下游底板相對向上錯動，最大值為9.1mm，發(fā)生在溢0+033.500處的結構縫處；結構縫張開同樣發(fā)生在溢0+033.500處的結構縫處，最大張開值為7.8mm。

(2)方案FA2，結構縫采用搭接縫，基礎不換填。相比于FA1，竣工沉降穩(wěn)定后，溢洪道最大位移量減少到27.0mm；結構縫的豎向剪切位移現(xiàn)象有較大改善，發(fā)生部位明顯減少，最大值減少到1.1mm；結構縫最大張開值減少到3.6mm。泄洪運行時，溢洪道最大位移量減少到43.0mm；結構縫豎向剪切位移最大值為2.0mm；結構縫張開最大值為7.0mm。

(3)方案FA3，結構縫采用豎直縫，基礎換填。相比于FA1，竣工沉降穩(wěn)定后，溢洪道最大位移量為17.5mm；結構縫的豎向剪切位移現(xiàn)象有較大改善，最大值減少到0.3mm；結構縫最大張開值減少到2.2mm。泄洪運行時，溢洪道最大位移量減少到29.8mm；結構縫豎向剪切位移最大值為0.5mm；結構縫張開最大值為3.9mm。

圖5 總位移云圖：FA4竣工期

圖6 總位移云圖：FA4運行期

(4)方案FA4，結構縫采用搭接縫，基礎換填。相比于FA2，竣工沉降穩(wěn)定后，溢洪道最大位移量減少到17.3mm；結構縫的豎向剪切位移最大值減少到0.5mm；結構縫最大張開值減少到2.0mm。泄洪運行時，溢洪道最大位移量減少到29.5mm；結構縫豎向剪切位移最大值為0.9mm；結構縫張開最大值為3.6mm。

根據計算成果，采用地基置換措施后，溢洪道總沉降值降低，且顯著改善了結構縫的剪切位移及張開位移現(xiàn)象；采用搭接縫形式相比與豎直縫形式，對結構縫的剪切位移及張開位移現(xiàn)象有一定的改善作用。

3 分析評價

經計算分析：溢洪道泄槽底板直接坐落于崩坡積層上，溢洪道典型橫斷面竣工期沉降量為16.9mm，運行期沉降量為25.2mm。采用1.0m擴展寬度、1.5m深換填深度(1m厚C20埋石混凝土換填層，0.5m厚碎石墊層)，溢洪道典型橫斷面竣工期沉降量為11.3mm，運行期沉降量為16.8mm。

溢洪道泄槽底板直接坐落于崩坡積層上，溢洪道縱斷面竣工期最大位移量27.0mm；結構縫的豎向剪切位移最大值1.1mm；結構縫最大張開值3.6mm。泄洪運行時，溢洪道最大位移量43.0mm；結構縫豎向剪切位移最大值為2.0mm；結構縫張開最大值為7.0mm。采用1.0m擴展寬度、1.5m深換填深度(1m厚C20埋石混凝土換填層，0.5m厚碎石墊層)，溢洪道竣工期最大位移量17.3mm；結構縫的豎向剪切位移最大值0.5mm；結構縫最大張開值2.0mm。泄洪運行時，溢洪道最大位移量29.5mm；結構縫豎向剪切位移最大值為0.9mm；結構縫張開最大值為3.6mm。

基礎換填方案采用C20埋石混凝土部分置換了泄槽段的崩坡積體基礎，增加了泄槽底板與崩坡積體基礎的接觸面積，有效減少了崩坡積體基礎表面的應力，降低了基礎承載力要求，同時在埋石混凝土置換層底部，鋪設碎石墊層并機械碾壓，也可一定程度的提高基礎承載力。總體上可有效降低基礎不均勻沉降所帶來的破壞力。采取基礎換填措施后，溢洪道底板結構縫采用搭接縫形式，結構縫的剪切滑移和張開現(xiàn)象均可得到較大改善。

基礎置換方案溢洪道典型橫斷面竣工期沉降量為11.3mm，運行期沉降量為16.8mm。溢洪道縱斷面竣工期最大位移量17.3mm；運行期最大位移量29.5mm；溢洪道沉降變形在施工期完成50%以上，雖然溢洪道底板的整體沉降量仍稍大，但崩坡積層厚度連續(xù)分布，相鄰溢洪道襯砌底板的沉降位移基本連續(xù)、相協(xié)調，溢洪道底板不會產生不均勻沉降破壞，同時溢洪道的結構縫的不會產生破壞，溢洪道的結構安全得到較大改善。

經分析論證，結合郭大寨水庫溢洪道實際情況，采用開挖換填方案作為溢洪道泄槽段崩坡積層基礎處理方案，采用GK5方案(采用1.0m擴展寬度、1.5m深換填深度，即采用1m厚C20埋石混凝土換填層，0.5m厚碎石墊層)。

郭大寨水庫于2020年蓄水運行，2021年汛期溢洪道最大泄洪流量121m3/s，枯期最大泄洪流量約9m3/s，根據泄槽段10個位移標點沉降觀測資料分析，最大沉降量約10.2mm。經現(xiàn)場檢測，溢洪道底板搭接結構縫未見明顯變形，未發(fā)生張開或壓碎現(xiàn)象，溢洪道運行正常，結構安全可靠。

4 結語

通過有限元數值模擬方法計算分析，采用基礎置換處理，郭大寨水庫溢洪道崩坡積層基礎泄槽段底板沉降量得到明顯改善，同時搭接結構縫的剪切滑移和張開現(xiàn)象均可得到較大改善。采用基礎置換處理是可行的，工程運行表明，溢洪道結構安全可靠。但計算的溢洪道底板整體沉降差異量仍較大，沉降量對建筑物影響的量化分析仍需進一步的分析[6]。