將軍廟水庫混凝土面板砂礫壩靜力特性分析

徐向東，蘇 凱，陳怡菡

(1. 新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2. 武漢大學(xué)海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

1985年開工建設(shè)的西北口面板堆石壩(壩高95 m)開啟了中國現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的建設(shè)篇章[1-2]，經(jīng)過40多年的發(fā)展，混凝土面板堆石壩已經(jīng)充分展示了其在安全性、經(jīng)濟(jì)性和良好的適應(yīng)性等方面的優(yōu)越性，表現(xiàn)出來了極強(qiáng)的競爭性，建壩數(shù)量和建壩高度都取得了快速發(fā)展，全世界已建的面板堆石壩接近400座，其中國內(nèi)已建和在建的100 m級高面板壩近40座，并有多座200 m級面板壩[2-3]。混凝土面板堆石壩的主要工程問題是壩體變形過大引起面板接縫變形過大而導(dǎo)致止水結(jié)構(gòu)破壞，或壩體變形過大引起混凝土面板開裂或者破壞，變形問題特別是對面板及其接縫位移的控制是面板壩設(shè)計(jì)的主要技術(shù)問題之一[4-6]。對不同工況下壩體變形特性及變形控制措施進(jìn)行研究，使面板接縫變形值以及混凝土面板應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，是面板堆石壩成敗的關(guān)鍵[2,3,7,8]。

數(shù)值模擬是面板壩應(yīng)力變形研究的主要手段之一，近30年來，我國在面板壩數(shù)值模擬方面開展了大量的研究工作，在壩體本構(gòu)模型、接觸面模擬、計(jì)算參數(shù)、壩料流變特性和壩料濕化特性、壩體后期變形等方面取得了較為豐富的研究成果[9-17]。隨著天生橋1級、洪家渡、水布埡、紫坪鋪、吉林臺一級等面板壩建成運(yùn)行，人們的認(rèn)識水平有了進(jìn)一步發(fā)展，以往研究中存在的問題和解決的思路也逐漸清晰[15,18-23]。堆石料的變形特性很復(fù)雜，壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壩料特性、級配特征、填筑密度、施工順序等都對壩體的應(yīng)力變形特性產(chǎn)生巨大影響，而新疆地區(qū)由于受限于當(dāng)?shù)氐墓こ探ㄖ牧?，更多的選用了砂礫石作為主要筑壩材料[24-26]，壩體的應(yīng)力變形特性體現(xiàn)了不同于普通堆石料筑壩材料的特性。本文針對這一問題，結(jié)合新疆將軍廟水庫工程實(shí)際，依次介紹了工程基本情況、壩基處理措施、筑壩材料特性等，并建立了對應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，討論了竣工期和蓄水期間壩體的受力變形、面板的變形與接縫的張開等情況，論證了工程初步設(shè)計(jì)方案的可行，以期為同類工程提供參考。

1 工程背景

1.1 樞紐整體規(guī)劃與布置

將軍廟水庫是新疆奎屯河引水工程的重要組成部分，奎屯河引水工程位于新疆天山北坡中部，準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，奎屯市、烏蘇市和克拉瑪依市獨(dú)山子區(qū)境內(nèi)，奎屯河流域上游。由奎屯市、烏蘇市、克拉瑪依市獨(dú)山子區(qū)所組成的三角區(qū)域，被經(jīng)濟(jì)學(xué)家譽(yù)為新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“金三角”地區(qū)，是新疆維吾爾自治區(qū)西部大開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃的天山北坡經(jīng)濟(jì)帶三個區(qū)域經(jīng)濟(jì)中心之一，是新疆最具有發(fā)展?jié)摿Α⒅攸c(diǎn)扶持、率先發(fā)展的地區(qū)。奎屯河是金三角地區(qū)的最主要的水源，奎屯河引水工程直接向農(nóng)七師、奎屯市、烏蘇市、獨(dú)山子區(qū)供水，安全可靠的供水是“金三角”地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的重要因素之一(見圖1)。

圖1 將軍廟水庫樞紐布置圖

1.2 大壩體型設(shè)計(jì)

將軍廟水庫大壩受限于當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)材料，選用了鋼筋砼面板砂礫石壩[24,26-27]，壩頂高程為1 446.5 m，防浪墻頂高程1 447.7 m，最大壩高133.0 m，壩頂長600 m，壩頂寬10 m，設(shè)有4.7 m高“L”型鋼筋砼防浪墻，上游壩坡為1∶1.7，下游壩坡采用1∶1.7與1∶1.5結(jié)合(兩級馬道以上坡度為1∶1.7兩級馬道以下坡度1∶1.5)，為滿足施工及運(yùn)行期的觀測巡視要求，在下游坡設(shè)4級“之”字形上壩道路，路寬10 m，坡度8%，采用混凝土路面，最大斷面下游平均坡度約為1∶1.95。為提高壩體的抗震穩(wěn)定性，下游采取必要的處理措施，下游護(hù)坡自壩頂以下2級馬道間采用砼網(wǎng)格加伸入壩體的土工格柵25 m/10 m間隔布置，格柵層距1.6 m。漿砌石護(hù)坡厚0.4 m，下游其余壩坡均為厚度0.3 m的漿砌石護(hù)坡。下游壩坡在1 342.0 m高程以下設(shè)置拋石區(qū)，頂寬為3.0 m。邊坡1∶2.0采用超徑石填筑。

壩體堆石從上游向下游依次分為墊層區(qū)、壩殼砂礫料區(qū)、排水體區(qū)、開挖利用料區(qū)、拋石區(qū)。另外在面板迎水面底部設(shè)有上游粘土鋪蓋區(qū)和拋石蓋重區(qū)。混凝土面板砼采用C30F300W12，厚度0.4～0.85 m，單層雙向鋼筋。河床部位受壓區(qū)面板寬16 m共17塊，岸坡部位受拉區(qū)面板寬8 m，左岸8塊，右岸13塊，為適應(yīng)變形古河槽部位面板寬8 m，共16塊。大壩典型剖面圖如圖2所示。

1.3 壩基處理

左壩肩處理：①趾板及墊層基礎(chǔ)，將表面覆蓋層全部挖除并開挖至基巖弱風(fēng)化上部巖石上。趾板上游側(cè)巖石開挖永久邊坡采用1∶0.75，臨時(shí)邊坡1∶0.5，下游側(cè)開挖邊坡1∶1.5。②壩體基礎(chǔ)，壩體范圍內(nèi)全部清除兩岸卵礫石層、坡積碎石土層等覆蓋層。

河床段處理：①趾板及墊層基礎(chǔ)，將表面覆蓋層全部挖除并開挖至基巖弱風(fēng)化上部巖石上，巖石開挖永久邊坡采用1∶0.75，臨時(shí)邊坡1∶0.5。②壩體基礎(chǔ)，河床段壩基覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖積物厚10～14.0 m，需清除表層5 m松散覆蓋體，經(jīng)強(qiáng)夯處理后可作為壩體基礎(chǔ)。

右壩肩處理：古河槽處，全部清除古河槽表層約5～10 m的坡積物覆蓋層及下部5 m厚表層沖積物，經(jīng)基礎(chǔ)強(qiáng)夯后可作為趾板及壩體基礎(chǔ)。此處趾板寬度增加至10 m，趾板端部連接防滲墻深入基巖1 m形成封閉防滲體。防滲墻厚1 m，防滲墻沿軸線每兩米預(yù)埋帷幕灌漿導(dǎo)向管。防滲墻采用C35混凝土。經(jīng)強(qiáng)夯處理后可作為壩體基礎(chǔ)。其余部分趾板及壩體基礎(chǔ)處理與左壩肩同。

圖2 將軍廟水庫混凝土面板壩典型剖面圖

2 計(jì)算模型與材料參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

本文采用有限元進(jìn)行計(jì)算分析，其中計(jì)算中空間單元采用8結(jié)點(diǎn)六面體等參單元，為適應(yīng)壩體邊界的變化，邊界部分退化為三棱體或四面體單元。坐標(biāo)系定義為：X為軸向，指向右岸為正，零點(diǎn)設(shè)置在樁號0+0.00剖面處；Y為順河向，指向下游為正，零點(diǎn)為壩軸線0+0.0位置；Z為垂直向，向上為正，以其高程為垂直向坐標(biāo)值。將軍廟面板壩三維網(wǎng)格剖分如圖3，單元總數(shù)250 386個，結(jié)點(diǎn)總數(shù)253 142個。河床最大剖面0+220.0網(wǎng)格剖分以及右壩肩古河槽最大剖面0+400網(wǎng)格剖分如圖3。

圖3 有限元計(jì)算模型圖

2.2 計(jì)算方法

應(yīng)力變形計(jì)算采用基于總應(yīng)力法的非線性有限元方法。其中，堆石料模型采用Duncan E-B模型，Duncan E-B模型能較好地反映堆石料非線性、壓硬性等特點(diǎn)，該模型參數(shù)確定簡單，運(yùn)用方便，所以在我國工程界得到廣泛應(yīng)用。混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，混凝土與土體之間采用接觸單元模擬其接觸性狀。

巖土工程中廣泛適用的接觸面單元是Goodman單元。Goodman單元概念清晰，接觸面本構(gòu)模型采用雙曲線模型，在一定程度上能反映接觸面的剪切特性，切向勁度系數(shù)可通過直剪試驗(yàn)簡便得到，參數(shù)易確定，因此長期以來得到了廣泛應(yīng)用。由于接觸面之間往往是粗糙的，因此剪切破壞并不是發(fā)生在接觸面上，而多發(fā)生在附近土體中，在接觸面附近形成一個剪切錯動帶，這個剪切錯動帶內(nèi)土體的應(yīng)力變形性質(zhì)明顯不同與周圍土體，它代表了接觸面的特性。因此，采用有厚度的薄層單元能避免兩側(cè)的相互嵌入，也能更好地反映接觸面變形機(jī)理。

本文采用Goodman單元模擬混凝土面板與墊層之間接觸關(guān)系，采用薄層單元模擬防滲墻與周圍土體的接觸關(guān)系。

面板接縫采用連接單元模擬，其應(yīng)力與位移的關(guān)系表示為

(1)

式中：τyx為接縫連接單元順縫向剪應(yīng)力；σyy為接縫連接單元張拉方向正應(yīng)力；τyz為接縫連接單元垂直縫向剪應(yīng)力；δyx、δyy、δyz分別為周邊縫連接單元在剪切向、張拉向和沉陷三個方向的位移。至于勁度系數(shù)kyx、kyy和kyz，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)采用表1所示的形式。

表1 連接單元勁度表達(dá)式

2.3 仿真計(jì)算過程

巖土材料的應(yīng)力變形特性不僅與其所受的荷載有關(guān)，而且與所經(jīng)受的應(yīng)力路徑密切相關(guān)，因此，在進(jìn)行壩體應(yīng)力變形分析時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)提供的施工程序(壩體填筑、混凝土面板澆筑、蓄水等過程)進(jìn)行模擬。大壩施工順序和蓄水過程如下：

第三年4月至10月進(jìn)行趾板砼澆筑，4月開始大壩砂礫石填筑，5月開始壩體墊層排水料等填筑。第四年5月底壩體臨時(shí)斷面填至1 380 m高程，達(dá)到百年一遇洪水的壩體高程；面板澆筑至1 374 m。第五年5月底壩體斷面填至1 410.0 m高程，9月底壩體全斷面填至1 446.5 m高程；面板澆筑1 446.5 m。

面板分兩期澆筑，面板一期高程1 374 m，二期澆筑至1 446.5 m。計(jì)算時(shí)采用逐級加載的方法模擬壩體填筑、面板澆筑等施工工序，水庫蓄水運(yùn)行過程通過水荷載分級施加進(jìn)行模擬。填筑、蓄水過程共采用84個荷載級模擬。

2.4 材料參數(shù)

本工程對墊層區(qū)、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)砂礫料，以及覆蓋層砂卵礫石料開展了大型三軸剪切試驗(yàn)，計(jì)算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)確定?，F(xiàn)階段墊層區(qū)按相對密度0.9設(shè)計(jì)，較前期試驗(yàn)0.85有所提高，參數(shù)相應(yīng)提高，過渡區(qū)參數(shù)則類比墊層區(qū)、主堆石區(qū)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)確定。最后采用的參數(shù)如表2所示。

混凝土面板、趾板(C30)按線彈性材料考慮，計(jì)算參數(shù)為：ρ=2.45 g/cm3，E=30 GPa，μ=0.167；防滲墻(C35)計(jì)算參數(shù)為：ρ=2.45 g/cm3，E=31.5 GPa，μ=0.167。

混凝土面板與墊層之間的接觸面模型參數(shù)參考天生橋一期資料確定，具體為：K1=4 800，n=0.56，Rf=0.74，c=0，δ=36°。

表2 將軍廟水庫面板壩靜力計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 壩體應(yīng)力與變形

竣工期和蓄水期壩0+220剖面順河向變形和沉降計(jì)算結(jié)果見圖4，可以看出：竣工期，壩體最大上游向和下游向變形分別為17.9、16.9 cm，壩體最大沉降為62.3 cm。蓄水至正常蓄水位，壩體最大上游向變形減小至5.1 cm，最大下游向變形增至19.2 cm，最大沉降增至66.0 cm。蓄水期壩體最大沉降量值約占壩高的0.49%，發(fā)生在壩軸線、1 378 m高程(0.5壩高)處。

圖4 壩0+220剖面順河向變形和沉降等值線圖(單位：cm)

從計(jì)算結(jié)果可以看出：竣工期和蓄水期壩0+220剖面大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的最大值分別為2.13、0.79、2.29、0.85 MPa，詳見圖5。各階段，壩內(nèi)的應(yīng)力水平都不大，大部分在60%以內(nèi)，局部雖偏高，最大值達(dá)到0.8，但低于1，未達(dá)到塑性破壞程度，詳見圖6。

圖5 壩0+220剖面大、小主應(yīng)力等值線圖(單位：MPa)

圖6 壩0+220剖面應(yīng)力水平等值線圖(單位：%)

3.2 面板應(yīng)力變形

蓄水期面板的軸向變形和撓度分布如圖7所示，面板內(nèi)的軸向應(yīng)力和順坡向應(yīng)力分布如圖8所示。古河槽引起的拉應(yīng)力區(qū)已用陰影標(biāo)出，可以看出：壩軸向變形雖總體上表現(xiàn)為由兩岸向河谷中央的擠壓，但受右壩肩古河槽的影響，在古河槽與基巖的交界處軸向變形減少，從而導(dǎo)致在該部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力區(qū)。同樣在順坡向，由于存在較大的差異沉降，在該部位出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力區(qū)。蓄水期面板指向右岸和指向左岸的軸向變形最大值分別為2.9 cm和2.6 cm，撓度最大值為27.7 cm；面板軸向壓、拉應(yīng)力最大值分別為6.65、1.36 MPa，順坡向最大壓、拉應(yīng)力最大值分別為5.03、1.14 MPa，面板應(yīng)力在混凝土強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，混凝土面板不會發(fā)生拉壓破壞。

圖7 蓄水期面板變形等值線圖(單位：cm)

圖8 蓄水期面板應(yīng)力等值線圖(單位：cm)

3.3 接縫變形

蓄水期防滲墻與連接板之間的接縫處于壓緊狀態(tài)，接縫變形以沉陷為主，沉陷值分布如圖9所示。接縫沉陷最大值為34.9 mm。該變位在目前止水結(jié)構(gòu)及材料能夠適應(yīng)的變形范圍內(nèi)。蓄水期面板周邊縫的張拉量見圖10，蓄水期周邊縫兩岸坡大部分區(qū)域處于張開狀態(tài)，最大張開量為22.4 mm，位于壩0+328剖面。蓄水垂直縫的張拉區(qū)域與量值見圖11，河谷中央垂直縫處于壓緊狀態(tài)，兩岸垂直縫處于張開狀態(tài)，最大張開量為10.1 mm，位于壩0+312.0剖面。

圖9 蓄水期連接板與防滲墻相對沉陷變位圖

圖10 蓄水期周邊縫張拉變形圖(張開為正，單位：mm)

圖11 蓄水期豎縫張開變形圖(張開為正，單位：mm)

4 結(jié) 語

基于三維靜力有限元法靜力分析結(jié)果，得到的主要結(jié)論如下：

1)竣工期、蓄水期壩體最大沉降分別為70.3、72.8 cm。壩體最大沉降量值約占壩高的0.55%，右壩肩古河槽處竣工期、正常蓄水位運(yùn)行時(shí)壩體沉降最大值分別為61.5、62.3 cm，發(fā)生在建基面上?？⒐て趬误w順河向位移指向上游最大值17.9 cm，指向下游變形最大值為16.9 cm，蓄水期指向上游最大值5.1 cm，指向下游變形最大值為19.2 cm，壩體位移分布規(guī)律和量值符合面板壩的一般規(guī)律，處于可控范圍。

2)蓄水期面板軸向壓、拉應(yīng)力最大值分別為6.65 MPa和-1.36 MPa，順坡向壓、拉應(yīng)力最大值分別為5.03 MP和-1.14 MPa，面板順坡向和壩軸向拉應(yīng)力較大部位均出現(xiàn)在古河槽與基巖的交界處，應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注古河槽的影響。

3)蓄水期防滲墻與連接板之間的接縫處于壓緊狀態(tài)，接縫變形以沉陷為主。接縫沉陷最大值為34.9 mm，在止水結(jié)構(gòu)及材料能夠適應(yīng)的變形范圍內(nèi)。蓄水期周邊縫兩岸坡大部分區(qū)域處于張開狀態(tài)，最大張開量為22.4 mm；河谷中央垂直縫處于壓緊狀態(tài)，兩岸垂直縫處于張開狀態(tài)，最大張開量為10.1 mm；整體來說面板周邊縫、垂直縫的變位量值均較小，可以滿足設(shè)計(jì)要求。