劉蒙娜,胡士輝,甕 宛
(1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,河南 鄭州 450016;2.黃河水利委員會(huì)水文局,河南 鄭州 450016)
碾壓混凝凝土重力壩穩(wěn)定的關(guān)鍵是壩基的完整性,壩基斷層將直接影響大壩的位移與應(yīng)力分布,尤其是順?biāo)飨蜉^大的斷層帶將會(huì)使壩基沿?cái)鄬訋Оl(fā)生塑性變形,從而導(dǎo)致壩體產(chǎn)生順?biāo)飨蛄芽p。為此,眾多水利工作者從不同方面對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了研究。徐衛(wèi)亞[1]等選取典型壩段,對(duì)受垂直水流方向斷層影響的重力壩進(jìn)行有限元分析,對(duì)壩基的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究;劉依松、艾子欣[2-5]等采用有限元法模擬了重力壩在各種荷載作用下的應(yīng)力和變形,得出壩體應(yīng)力變形的變化規(guī)律;王建偉[6]等基于有限元等效應(yīng)力的思想,通過控制網(wǎng)格大小的方法來調(diào)整壩踵應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果;孟波[7]等通過對(duì)某水庫大壩壩基斷層采取工程處理措施,根據(jù)滲壓監(jiān)測(cè)成果分析斷層處理措施的可靠性??傮w來看,對(duì)于碾壓混凝土重力壩沿壩基順?biāo)飨驍鄬訋幚矸治龅难芯肯鄬?duì)較少。本文利用ANSYS對(duì)大石澗水庫壩體及壩基斷層沿壩軸線方向進(jìn)行數(shù)值模擬,分析斷層處理前后的應(yīng)力變形,斷層處理后的成果與工程實(shí)測(cè)值基本一致,基本解決了斷層處理的問題。
本次順壩軸線方向,采用平面有限元簡(jiǎn)化計(jì)算,取壩頂中線位置。計(jì)算范圍:壩肩兩岸寬度取最大壩高的3倍(200m),豎直方向建基面以下取最大壩高的3倍(200m)。左右岸均采用法向約束,底面采用固定約束。計(jì)算采用的坐標(biāo)軸:溢流壩段壩中點(diǎn)為坐標(biāo)(0,0)點(diǎn),x軸從溢流壩壩基中點(diǎn)水平指向右岸,y軸豎直向上為正方向。計(jì)算斷面如圖1所示。
圖1 大壩計(jì)算斷面圖
壩體及地基巖石材料參數(shù)見表1。斷層破碎帶及固結(jié)灌漿區(qū)域計(jì)算參數(shù)見表2。
表1 壩體與地基巖石材料參數(shù)
表2 斷層及灌漿區(qū)域材料參數(shù)
碾壓混凝土壩體和地基均采用ANSYS中的PLANE42平面四邊形單元模擬,壩體混凝土材料采用線彈性單元模擬,地基巖石和斷層采用彈塑性DP模型模擬。整體模型共有18487個(gè)節(jié)點(diǎn),18165個(gè)單元。
依據(jù)SL 319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[8],各工況下的荷載組合見表3。
表3 計(jì)算工況及荷載組合結(jié)果
根據(jù)前文確定的邊界條件,綜合考慮各種計(jì)算荷載,借助于ANSYS對(duì)斷層處理前后各工況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力計(jì)算和分析。
2.4.1壩體位移、應(yīng)變分析
壩體各工況位移及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。其中壩體完建期斷層斷層處理前位移計(jì)算結(jié)果如圖2所示,壩體垂直正應(yīng)變?cè)迫鐖D3所示。
表4 壩體各工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)
圖2 壩體x向位移圖
圖3 壩體垂直正應(yīng)變?cè)茍D
計(jì)算結(jié)果表明:壩體最大垂直位移位于壩頂,最大水平位移位于左岸,方向指向大壩右岸;壩體最大垂直正應(yīng)變位于溢流壩段壩底。在右岸與斷層接觸部位的壩體底部第一主拉應(yīng)力出現(xiàn)了最大值,但很小,滿足規(guī)范要求。
2.4.2壩基位移、應(yīng)力分析
壩基各工況位移及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5。其中完建期斷層處理前壩基位移、等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖4—5所示。
表5 基巖各工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)
圖4 壩基巖石x向位移圖
圖5 壩基巖石等效塑性應(yīng)變?cè)茍D
計(jì)算結(jié)果表明:F3斷層處出現(xiàn)最大塑性應(yīng)變區(qū),大壩建成后出現(xiàn)塑性破壞的可能性很大,應(yīng)對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行處理。
斷層帶處理之后,再對(duì)壩基及壩體進(jìn)行有限元計(jì)算結(jié)果顯示:壩基F3斷層塑性區(qū)域基本消失,這表明固結(jié)灌漿改善了壩基的不良地質(zhì)條件對(duì)壩體造成的影響。壩體第一主拉應(yīng)力減小,在右岸與F3斷層接觸部位的壩體底部不再出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。固結(jié)灌漿對(duì)壩體位移、應(yīng)變沒有太大影響。
為改善大石澗水庫大壩壩基巖石的力學(xué)性能,加強(qiáng)壩基巖體的整體性,提高基巖的變形模量和強(qiáng)度,首先將左岸F1、右岸F3斷層進(jìn)行挖除,然后用混凝土塞進(jìn)行回填,F(xiàn)1、F3斷層開槽挖深為寬度的1.50倍,對(duì)F1、F3斷層上游30m、下游30m,兩側(cè)各2m范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿,孔深6m。
由于F1、F3位于兩壩肩,上下游山體還較厚,壩體外的固結(jié)灌漿施工較困難,對(duì)F1斷層上游30m、下游30m,兩側(cè)各2m范圍內(nèi)及F3斷層上游30m、下游12m,兩側(cè)各2m范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿,孔深6m。由于F3斷層帶較寬,在開挖部分與基巖之間用混凝土塞回填,在塞填混凝土與壩基混凝土相交的界面布置HRB400級(jí)鋼筋32@150cm鋼筋網(wǎng),此外,對(duì)F1、F3斷層所在的壩段帷幕灌漿采用雙排帷幕加強(qiáng)處理。
經(jīng)有限元計(jì)算分析后,減小壩體外固結(jié)灌漿范圍,節(jié)省投資,但工程仍是安全的。
大石澗水庫大壩于2020年5月施工完畢,壩體完建期實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)壩體與有限元計(jì)算壩體最大豎直位移及壩體最大垂直正應(yīng)變對(duì)比見表6。
表6 完建期應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)
F1、F3斷層貫穿大壩的上下游,由于上下游覆蓋層的影響,難以準(zhǔn)確確定其斷層位置。計(jì)算研究分析,處理范圍減小,確定采用混凝土塞+固結(jié)灌漿的處理方案,針對(duì)性比較強(qiáng)。經(jīng)過壩體完建期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,實(shí)測(cè)值均小于有限元計(jì)算值,且滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,大石澗水庫大壩順?biāo)飨驂位鶖鄬訋幚砣〉昧溯^好的效果。
大石澗水庫大壩壩基由于斷層F1、F3的存在,對(duì)壩體的應(yīng)力變形和穩(wěn)定性影響較大,文章通過對(duì)斷層處理前后各工況進(jìn)行有限元計(jì)算,得出結(jié)論:
(1)按照處理前的斷層參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算,F(xiàn)3斷層邊沿與右岸巖體接觸部位出現(xiàn)塑性區(qū),但按照處理后的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核,塑性區(qū)基本消失。說明對(duì)重力壩壩基斷層采用采用混凝土塞+固結(jié)灌漿的處理方案是合適的。
(2)通過對(duì)大壩建成后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證,對(duì)大壩和壩基順?biāo)飨驍鄬硬捎煤?jiǎn)化的有限元模型模擬是合理的。
本次實(shí)例分析對(duì)其它類似工程簡(jiǎn)化計(jì)算及斷層帶處理有一定的參考借鑒意義。