基于ANSYS的某水庫軟土壩基穩(wěn)定性分析

雙學(xué)珍，于廣斌，李 楨

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州 611230；2.中國安能建設(shè)集團(tuán)有限公司第三工程局，四川 成都 610000）

1 引言

軟土地基是指地層中主要以軟土層為主且涵蓋了粉砂質(zhì)、泥質(zhì)黏土巖等組成的地基，軟土層常常較厚，達(dá)到幾十米以上[1]。面對軟土地基，水利工程建設(shè)常常較為棘手，大壩穩(wěn)定性受到威脅。鑒于此，當(dāng)水利工程中遇到大面積軟土地基時，研究合理科學(xué)的應(yīng)對措施具有重要的實際意義[2]。國內(nèi)外已有諸多學(xué)者研究過軟土地基處理方法，集中于換土墊層[3]、加筋土[4，5]、壓重臺法[6]、擠密砂樁[7]等手段，其中擠密砂樁技術(shù)愈來愈成熟，在水利工程領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣泛。分析擠密砂樁處理軟土地基效果具有重要的實際工程意義，基于有限元軟件分析擠密砂樁復(fù)合地基穩(wěn)定性，為復(fù)合地基穩(wěn)定性研究提供重要的實際依據(jù)。

2 工程概況

2.1 工程基本情況

某水庫工程位于長江以南地區(qū)，建設(shè)初期考慮防洪為主，后期修繕增加了農(nóng)田灌溉、蓄水等功能。水庫防洪庫容占比達(dá)到56.5%，水利灌溉庫容達(dá)到12.5%，總庫容約11.51 億m3，惠及農(nóng)田面積超過2.67 萬 hm2，供應(yīng)生活及工業(yè)用水超過 7 500 萬 m3。水庫大壩由混凝土壩與土壩混合組成，其中混凝土壩段長約403.9 m、土壩段長約3 101.6 m。壩頂高程達(dá)105.2 m，寬度為7.5 m，鋪設(shè)有瀝青混凝土。土壩3個階地壩段坡度分別為1/2.5、1/2.7、1/3，為保證壩體邊坡穩(wěn)定性，已采用混凝土護(hù)砌形式護(hù)坡，并在砌塊下鋪設(shè)有粒徑2～30 mm 的碎石墊層及0.2 m 厚中粗砂礫，且在上下游90 m處設(shè)置有擋土墻壓重臺。該工程按照1 000 a一遇洪水設(shè)計，設(shè)計水位為93.54 m，泄洪流量為12 010.5 m3/s，相應(yīng)庫容8.54 億m3。壩體心墻寬度為4.0 m，上下游坡度為1/0.5。

2.2 工程地質(zhì)條件

由于該水庫工程壩體以土壩段為主且土壩段穩(wěn)定性危險較大，因而筆者重點對土壩段工程地質(zhì)情況介紹分析。

（1）五里店丘陵壩段?；鶐r主要分為上下第三系兩個李家坡地質(zhì)組，兩者之間巖性呈角度不整合接觸，均為紫紅色黏土巖；不同的是下第三系李家坡組含有薄夾層，夾層內(nèi)含有砂礫質(zhì)巖性，上第三系李家坡組含泥質(zhì)成分較多。第四系土層中，主要為低塑限黏土層，半風(fēng)化，厚度為18.7～25.8 m。

（2）二級階地壩段。屬于雙層巖土質(zhì)結(jié)構(gòu)，上層為第四系河流沖積形成的河流相地貌，以風(fēng)化嚴(yán)重的紅色砂礫石為主，厚度為12～17.5 m；下層由砂巖與砂礫石組成，往南方向上顆粒逐漸變細(xì)，但堆積厚度在逐漸增加。

（3）一級階地壩段。呈明顯的巖石、土質(zhì)兩層。上覆土層為第四系沖積形成的低液限紅色黏土，厚度達(dá)到7～13 m，主要是上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)地層，在紅色黏土下部還有部分砂巖，并與下部變質(zhì)巖石呈不整合接觸，變質(zhì)巖呈灰黃或灰白色，厚度2～9 m。

工程地質(zhì)勘察結(jié)果表明，該土壩段上覆土層軟土較多，可能造成不均勻沉降，影響壩基穩(wěn)定性；壩基下部巖土層主要為砂礫石，防滲性能較差，極易導(dǎo)致流砂、管涌、突涌等現(xiàn)象出現(xiàn)。同時，現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗結(jié)果顯示，一級階地壩段達(dá)中等嚴(yán)重級砂土液化，液化地層達(dá)8 m深，因而需要對該壩段液化砂土層做防液化處理。

3 地基應(yīng)力變形計算分析

工程地質(zhì)勘察結(jié)果表明，該水庫壩基存在穩(wěn)定性問題，需要進(jìn)行地基處理。依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[8]，采用擠密砂樁法處理壩體地基，可以增強(qiáng)壩基承載力，擠密砂樁為樁徑80 cm、邊長3.5 m 的等邊三角形。這里，筆者分析采用擠密砂樁處理后的危險斷面穩(wěn)定性，并依據(jù)不同工況計算出該斷面的應(yīng)力變形。

3.1 參數(shù)選擇

依據(jù)該水庫工程壩體結(jié)構(gòu)和壩基工程地質(zhì)剖面，基于ANAYS 數(shù)值模擬軟件建立三維有限元模型，如圖1所示。模型單元體為八節(jié)點六面體，共有20 368 個節(jié)點、18 527 個單元。土體強(qiáng)度計算準(zhǔn)則采用鄧肯EB模型，混凝土材料強(qiáng)度計算采用線彈性變形模型，壩基滲流計算采用基于Biot 固結(jié)理論滲流的計算方法。

為了計算出壩基滲流穩(wěn)定性，需要確定壩基滲透系數(shù)。由于采用了擠密砂樁結(jié)合原狀土，所以該地基為復(fù)合地基，而確定復(fù)合地基滲透系數(shù)需要堅持2個原則。

（1）滲流方向為水平向條件下，復(fù)合地基滲透速度取決于擠密砂樁間土，因而復(fù)合地基滲透系數(shù)與樁間土滲透系數(shù)一致。

（2）滲流方向為垂直向條件下，參照有關(guān)規(guī)范，復(fù)合地基滲透系數(shù)由下式計算可得：

式中：Kc，Ks分別指擠密砂樁與樁間土的滲透系數(shù)；n為復(fù)合地基置換率。

在開始有限元模型分析之前，通過室內(nèi)常規(guī)三軸試驗，獲得復(fù)合地基的變形參數(shù)，其中混凝土彈性模量為25.5 GPa、泊松比為0.167，以線彈性變形模型為強(qiáng)度變形計算準(zhǔn)則，計算采用的參數(shù)詳見表1，為后文有限元分析計算提供依據(jù)。

表1 土層計算模型選用參數(shù)

3.2 壩基應(yīng)力變形分析

根據(jù)工程地質(zhì)條件，選定壩基擠密砂樁處理的復(fù)合地基2+100、3+105號2個斷面進(jìn)行應(yīng)力變形分析，并依據(jù)不同工況條件計算出壩基應(yīng)力變形。

3.2.1 竣工期應(yīng)力變形

圖2 為2+100 號斷面竣工期位移、沉降量和應(yīng)力水平計算云圖，圖3為3+105號斷面竣工期位移、沉降量和應(yīng)力水平計算云圖。

圖2 2+100號斷面竣工期位移、沉降量和應(yīng)力水平計算云圖

圖3 3+105號斷面竣工期位移、沉降量和應(yīng)力水平計算云圖

依據(jù)水平位移、沉降量及應(yīng)力水平，給出竣工期復(fù)合地基2+100、3+105號2個危險斷面應(yīng)力變形特征最大值，詳見表2。結(jié)合2個斷面應(yīng)力水平與變形變化特征可知，竣工期復(fù)合地基最大沉降量位于2+100 號斷面；順下游方向，3+105 號斷面變形面積較大，但總變形量不及2+100號斷面；應(yīng)力影響范圍及量值均是2+100號斷面更強(qiáng)。

表2 竣工期工況下2個斷面應(yīng)力變形特征極值

圖4—5 為沿壩軸線方向的壩體水平位移和沉降量。從圖4—5可看出，隨著壩體軸線方向上巖土層不同，壩體沉降量逐漸發(fā)生明顯變化，但最終沉降量維持在0.23～0.44 m；各個壩段水平方向位移量受巖土層變化影響較小，僅僅在壩體軸線發(fā)生彎曲處水平位移量較大。

圖4 沿壩軸線方向壩體水平位移

圖5 沿壩軸線方向壩體沉降量

依據(jù)竣工期完成的防滲墻，計算防滲墻斷面上最大、最小主應(yīng)力，如圖6所示。從圖6可看出，土壩段防滲墻最大主應(yīng)力均在0.5 MPa 以下，最小主應(yīng)力量值均大于0，并沒出現(xiàn)拉應(yīng)力危險區(qū)域。在混凝土壩段與土壩段連接處，防滲墻最大主應(yīng)力為整個壩體最大值，但量值仍在1 MPa以內(nèi)，且出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)域較小。

3.2.2 滿蓄期應(yīng)力變形

圖7 為2+100 號斷面滿蓄期位移、沉降量和應(yīng)力水平計算云圖，圖8為3+105號斷面滿蓄期位移、沉降量和應(yīng)力水平計算云圖。

圖6 防滲墻竣工期應(yīng)力變形云圖

圖7 2+100號斷面滿蓄期位移、沉降量和應(yīng)力水平計算云圖

表3 為水庫工程滿蓄期壩基2+100、3+105 號2個斷面應(yīng)力變形特征極值。最大沉降量依然是在2+100號斷面處，2+100號斷面順河向水平最大位移量比3+105號斷面提升了19%；2個斷面最小主應(yīng)力均出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)域，但是量值較小，以2+100號斷面最大。

圖8 3+105號斷面滿蓄期位移、沉降量和應(yīng)力水平計算云圖

表3 滿蓄期工況下2個斷面應(yīng)力變形特征極值

圖9 沿壩軸線方向壩體水平位移

圖10 沿壩軸線方向壩體沉降量

圖9—10為沿壩軸線方向的壩體水平位移和沉降量。從圖9—10可看出，隨著壩軸線延伸，各個壩段巖土層不同，壩體水平位移量主要為0.02～0.06 m，其突變值與竣工期類似，主要發(fā)生在壩軸線彎曲處即不同壩段連接處；壩體沉降量為0.2～0.4 m，最大沉降量亦是出現(xiàn)在壩軸線彎曲處。

圖11 防滲墻滿蓄期應(yīng)力變形云圖

從圖11 可看出，相比竣工期，滿蓄期壩體防滲墻最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值增大較明顯，在壩基土層性質(zhì)突變段最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力最大，且相應(yīng)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力區(qū)域較大。

3.2.3 計算結(jié)果歸納

沿壩軸線方向上，受壩基土層差異性變化較大影響，各個壩段土層變形模量各異，壩體沉降量起伏變化明顯?？⒐て谧畲蟪两盗繛?.478 m，出現(xiàn)在2+100 號斷面土層處；滿蓄期最大沉降量同樣出現(xiàn)在2+100 號斷面，但低于竣工期?？⒐て陧樅酉驂误w最大水平位移值在下游，達(dá)0.148 m；滿蓄期順河向水平位移亦以下游位移為主，上游最大水平位移只有0.108 m。沿壩軸線方向上，竣工期與滿蓄期最大水平位移量近乎相等。從最大水平位移發(fā)生區(qū)域來看，竣工期與滿蓄期水平位移最大值分別出現(xiàn)在2+100、3+105 號斷面，其中 3+105 號斷面為土壩與混凝土壩連接處、2+100 號斷面主要為軟土層壩段。從防滲墻的應(yīng)力水平來看，整體量值均較小，大主應(yīng)力最大值在1 MPa以內(nèi)，小主應(yīng)力出現(xiàn)的拉應(yīng)力值在0.1 MPa內(nèi)。壩體沉降和位移量極值，詳見表4。

表4 壩體沉降和位移量極值

基于有限元計算結(jié)果可知，最大順河向水平位移發(fā)生在2+100 號斷面，量值分別為0.148 m（竣工期）、0.178 m（滿蓄期）。壩體分別在2個工況下的沉降量和水平位移量計算結(jié)果，與壩體沉降極值和水平位移規(guī)范允許值比較符合壩體安全性要求。這表明采用擠密砂樁處理地基效果較好。

4 結(jié)論

依據(jù)水庫工程地質(zhì)勘察資料分析結(jié)果，采用擠密砂樁處理軟土層地基，并基于有限元分析方法獲得了兩種不同工況條件下壩體斷面應(yīng)力變形結(jié)果，有以下4點結(jié)論。

（1）竣工期與滿蓄期最大沉降量均出現(xiàn)在2+100 號斷面處，竣工期工況下沉降量極值最大達(dá)0.521 m，滿蓄期最大沉降量極值為前者的81.6%。

（2）竣工期和滿蓄期水平位移最大值分別出現(xiàn)在2+100、3+105 號斷面處；竣工期和滿蓄期最大水平位移均以下游壩體為主，竣工期最大水平位移量達(dá)0.148 m，滿蓄期上游最大水平位移量只有0.108 m。沿壩軸線方向上，竣工期和滿蓄期最大水平位移量近乎相等。

（3）從防滲墻的應(yīng)力水平來看，整體量值均較小，大主應(yīng)力最大值在1 MPa以內(nèi)，小主應(yīng)力出現(xiàn)的拉應(yīng)力值在0.1 MPa內(nèi)。

（4）壩體沉降量和水平位移量計算結(jié)果與壩體沉降極值和水平位移規(guī)范允許值相比均在安全區(qū)間，滿足了設(shè)計要求，從而驗證了采用擠密砂樁處理軟土地基的有效性。