’９８汛期二期围堰防渗墙应力和变形

刘松涛　包承纲

摘 要 对1998年汛期三峡工程二期围堰内基坑抽水对堰体和防渗墙的应力应变进行了分析研究。结果表明，墙体变形规律正常并且与现场实测值较接近，墙体应力和应力水平在安全范围之内，墙体和堰体是稳定、安全的。

关键词 三峡工程 二期围堰 防渗墙 应力应变 应力水平 汛期

1、前言

三峡工程二期围堰及其防渗墙应力一应变的研究自1985年以来，由长江科学院牵头，会同国内土石坝工程研究中有丰富经验的研究院、高校，如南京水科院、中国科学院、清华大学、河海大学、武汉水电大学、成都科技大学、中科院武汉岩土所和广东水科院等单位，曾作过比较深入的研究论证。经历了初步设计、“七五”攻关优化设计、“八五”攻关和技术设计等阶段的分析研究，历时10年，为围堰的技术设计提供了重要科学依据。

长江于1997年11月截流以来，二期围堰正在填筑，并要求在汛前填筑成挡水高程83.5m。同时为保证三峡工程建设的进度，于1998年6月25日已开始进行限制性抽水。1998年汛期围堰施工和基坑抽水阶段，发现上游墙变位实测值比原来计算得到的墙体变位要大。为此我们认真研究了围堰的现场观测资料，了解围堰的竣工断面与设计断面有差异，填料的分布及密度与原计算有差异，加上施工过程与原设计设定的情况也有差异，这都是造成墙体变位较大的原因。在本次计算中，根据实际竣工断面和墙体变位实测值及施工实际情况，调整了参数及计算条件。研究表明，按此算得的变位与实测值较相近，而且墙体和堰体也是安全的。

2、分析方法和计算条件

2.1分析方法

分析方法仍采用“七五”和“八五”攻关中常用的二维非线性弹性有限元分析方法，围堰填料的本构模型仍采用国内外广泛应用的Duncan模型，并根据三峡工程围堰填料的特性，主要采用E 模型。其公式可参见文献①②②。

围堰防渗墙与堰体之间的接触面，仍采用无厚度的Goodmun一维接触面单元①②。

2.2施工设计断面

由于堰址河床水下地形冲淤变化和施工条件的改变以及各种相关因素的变化，根据现场实际情况变更的施工设计断面结构，与技术设计推荐的断面相比已有较大的改变。特别是因施工水深太大，最大水深达60m，为遏制截流戗堤堤头坍滑的规模和频率、避免堤头坍滑事故的发生，长江委设计院特地在河床深槽段采用砂砾石水下平抛垫底至高程40m(图1)。这一设计的优化，不仅减少截流战堤进占抛投水深、保证截流施工安全、降低了截流龙口进占抛投强度，而且在40m高程以下的填料用平抛垫底的砂砾石料代替原设计的风化砂料对改善防渗墙的应力应变状态也是有利的。

图1 三峡工程二期上游围堰施工设计断面

图2堰体水平位移等值线(m)

图3堰体垂直位移等值线(m)

2.3竣工断面及参数

计算中采用的填料参数是否符合现场实际，则关系到计算成果与现场实际成果是否相符合的问题，是至关重要的。因围堰的实际竣工断面和填料与原施工设计断面及填料有差异，使得原防渗墙计算的变位值比实测值小些。例如依据平抛垫底现场实际检测资料，其高程并未达到设计的40m高程，一般在730m～V35m之间，表明水下抛填风化砂层厚增加了5m～10m；防渗墙周围风化砂经振冲加密后检测其干密度可达1.8t/m³，振密区影响范围为20m，影响深度为30m，而30m以下的风化砂密度较低，约为1.72t/m³；其二，河床复盖层料，原来是没有试验资料的，参数是采用有关工程的类比参数，不一定完全符合实际；其三，以前计算时，上、下游墙均取塑性混凝土28天龄期参数。

实际上，上游墙于1998.5.5封闭，下游墙于1998.8.6封闭。二者相差3个月，故本次计算根据现场实际情况上、下游墙塑性混凝土分别取90天和28天龄期参数。另外，淤砂于密度，以前计算采用试验建议值，本次按最不利条件考虑，取干密度为1.40t/m³。总之，本次计算是根据实际的竣工断面填料的分布和密度，以及墙体实测变位值和现场施工实际情况，调整参数和计算条件，然后再进行分析的。

2.4研究内容

研究内容一方面要找出墙体变位大的原因，同时要回答墙体变位较大情况下，基坑可否继续抽水?其对墙体的应力变形有多大影响?对墙体和堰体的安全影响如何?因而重点了解上游墙封闭后汛期上游水位上升的基坑抽水阶段，墙体受到不同载荷组合和作用，各种工况下墙体的应力应变状态；当下游墙封闭后，上、下游墙联合作用在各种不同水荷载组合的作用下，两墙的应力和变形状态。

计算中分级加载的步骤应完全符合围堰实际的施工加载过程，因不同的加载过程反映不同的应力路径，将影响到堰体和墙体的应力应变状态。本次计算基本上是按围堰实际施工过程进行模拟的，尤其是水荷载的施加是按堰址汛期江水位的升降和基坑抽水情况进行模拟，两墙间水位则是根据测压管实测水位取值。只有这样进行仿真模拟，才能使计算成果更接近实际。

3、研究成果及分析

上游墙实测变位为什么比原来计算值大?研究表明，其原因是：①围堰竣工断面与施工设计断面有差异，即填料的分布及密度以及参数和计算条件的差异；②上游墙在承担水头情况下，在下游墙部位开槽，槽孔成“临空面”，使上游墙失去了部分支撑体；②经历多次洪峰袭击，加上基坑持续抽水等不利工况的影响；④堰体上重型机械来回奔跑等，在下游墙封闭前，上游墙已产生较大变形。按调整的参数和计算条件得到的墙体变位与实测值相近，而且墙体和堰体也是安全的。

现将参数和计算条件调整后计算的成果介绍如下：

3.1堰体的位移和应力

在正常蓄水位85m和基坑水已抽干情况下，堰体的水平位移和垂直位移等值线分别绘于图2和图3。堰体在水库压力作用下，其变形趋势主要向下游，其变形规律是合理的。堰体累计最大水平位移和沉降分别为2.5cm和161.0cm，均发生在2/3堰高处。堰体大小主应力。l和03的最大值分别为1.33MPa和0.53MPa，均发生在下游堰体下部靠近下游墙的部位，与一般土石坝应力分布规律是一致的。堰体应力水平基本上小于1.0，只是在上游墙前有一个小区域的应力水平达到1.0。因它属于土颗粒散体，而且位于堆石体和防渗墙之间，故它无碍堰体的稳定性。

3.2防渗墙的位移和应力

在计算中比较详细地模拟了上游水位在汛期的升、降过程和基坑抽水过程。例如，上游水位由▽69m上升至▽73m～▽76m，后又降至73m，最后又按设计水位升至▽80m～▽85m，基坑水位则由▽60m逐步抽水下降至▽0.00m，反映在不同水荷载作用下墙体的应力和变位。当上游墙单墙承担水头时，上游水位为▽76m，基坑抽水至▽50m和▽45m时，墙体最大水平位移分别为54.5cm和49.7cm，表明墙体变位随着水头的增加而增大。当子堤后面填土至▽78.5m时，墙体变位又减小到48.0cm，表明子堤后填土可抑制和减小墙体变位。当基坑继续抽水至▽40m时，墙体变位又增加到49.4cm；后来两墙承担水头，并依据现场上游水位情况，将上游水位降至▽73.0m时，基坑水位抽至▽30m，墙间水位为实测的▽55m，计算得到的上游变位为53.7cm，相对应的1998年9月15日上游墙的实测变位值为55.2cm(上游水位▽72.0m，墙间水位▽55.0m，基坑水位▽26.0m)，表明在相近的水头下，计算与实测值是比较接近的。图4绘出了计算与实测墙体变位的比较。曲线可分三段。高程15m以下，计算和实测值墙体变位的增量和规律性均较为接近；▽15m～▽40m这段曲线，计算值较实测值大些，这可能与▽35m以下为平抛垫底砂料的实际填料参数比计算采用的填料参数要好，因而实测值要小些；▽40m～▽70m这段曲线，墙体变位规律和数值，计算值和实测值还是比较接近的。即计算得到的墙体变位，基本上反映了墙体的实际变形性状。

表1列出了两墙承担的水头时各种工况计算结果。由表可知，墙体位移和应力均随着水头的增大而增加；上游墙位移比下游墙位移大得多，原因前已叙述。两墙的最大主应力相差不大，说明两墙所承担的荷载比较均匀，上游墙承担荷载稍大一些，这是优化设计采用了先施工上墙后施工下墙方案，对改善墙体应力是有利的。

当围堰挡水达到设计正常蓄水位高程V85m时，墙间水位在▽28～▽57m之间变化，基坑抽水至▽10m和▽0.0m时，计算上游墙的最大变位为66.6m至67.4cm，下游墙变位约为17.1cm至18.2cm。

由墙体应力和应力水平分布曲线图5和图6看，最大应力均发生在墙端基岩面附近的单元内，墙体应力均较小，最大主应力约为3.14MPa至5.28MPa。在深槽段墙体钻孔取样试验资料表明，其墙体材料的无侧限抗压强度可达到4.62MPa～11.2MPa，表明墙体应力在强度范围之内。若考虑在围压条件下强度还要大些，故其安全余度也大些。而且塑性混凝土材料随着时间的推移，其强度随着龄期的增长而增加，比弹模随龄期增长要快而大，这对墙体的安全是有利的。墙体应力水平一般均在0.8以下，小于1.0，只是在墙端部有l～2个单元的应力水平达到1.0，这是由于该处弯矩的拉应力较大引起的，但它不是连续的(1.0m厚墙体分为0.3m、0.4m和0.3m三排单位)，亦即不会造成贯穿墙体的破坏，对墙的稳定和安全不会造成危害。

图4 墙体变位计算与实测比较

——上游面单元

——下游面单元

图5 上游墙体竖向应力6v(MPa)

图6 上游墙体应力水平

4、结论与建议

通过对三峡工程二期上游园堰1998年汛期基坑抽水阶段各种工况下的计算分析，有以下认识：

(1)计算表明，调整参数后计算的墙体变位值与实测值在变形规律和数值上基本上是相似的；在设计正常蓄水位V85.0m下，上游墙的最大变位将达到67.4cm；应力基本上在墙体实测强度范围之内；墙体应力水平小于1.0，只在墙端个别单元的应力水平达到1.0，对墙体稳定和安全不会造成危害。表明在1998年汛期基坑抽水阶段，墙体变形正常，墙体和堰体是稳定、安全的；

(2)本计算只是根据现场作了一些填料参数的调整，其成果只是初步的成果。有些问题尚来不及认真研究，如两墙间的隔墙及墙体内预留监测钢管等对墙体应力变形的影响应在三维分析中加以考虑；

(3)还应加强对围堰堰体和防渗墙的监测，以确保围堰的安全运行。

参考文献

1、 Duncan I M，Chang C Y.Nonlinear Analysis of Stress andStrain in Soils.Proc.ASC辽，1970，96(5)

2、 沈珠江、刘松涛.三峡二期高土石围堰应力应变分析研究. 人民长江，1996(10)

3、刘松涛.三峡深水围堰堰体与防渗墙联合作用研究.长江 科学院院报，1997(1)