某水电站心墙坝和面板坝沉降变形比选研究

杨智勇

（浙江华东建设工程有限公司，杭州 310030）

某水电站心墙坝和面板坝沉降变形比选研究

杨智勇

（浙江华东建设工程有限公司，杭州 310030）

某拟建坝基覆盖层深，层厚变化大，物质多样，物质分布不均，坝基沉降量大，不均匀沉降显著。采用分层总和法和三维数值模拟，对心墙坝和面板坝两种坝型的坝基沉降变形进行分析评价。发现两种坝型的坝基覆盖层沉降变形和不均匀沉降均未超过规范量值，但面板坝沉降量和沉降差皆优于心墙坝。

深厚覆盖；心墙坝；面板坝；坝基变形；分层总和法；三维数值模拟

1 前言

某拟建水电站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴县境内，采用混合式开发。初拟正常蓄水位2 048 m，正常蓄水位下库容2.69×108m3，最大坝高116 m，电站利用落差196m，初拟装机容量156×104kW。

已有资料表明，坝址区覆盖层深厚，空间分布极度不均，最薄处7.84m，最厚处可达127.66m；其物质组成以粗－巨颗粒为主，分布有成层性相对较好的堰塞湖相砂土层及局部砂土、粉土透镜体。建坝后地基不均匀沉降问题较为突出，尤其针对砾石土（沥青）心墙堆石坝（后简称“心墙坝”）和钢筋混凝土面板堆石坝（后简称“面板坝”）两种比选坝型，其影响程度也有待深入研究。因此，针对该拟建水电站坝基变形及两种坝型的适应性，应深入分析，为进一步的设计和处理提供有力依据。

2 坝基覆盖层基本特征

2.1 空间分布特征

根据勘察资料，该水电站坝址区河床覆盖层主要由漂（块）石、卵砾石、碎石、砂（壤）土等组成，且物质成因具有多样性，既有河流冲洪积形成的漂卵砾石及砂土，堰塞湖相沉积的粉砂、粉土层，也有岸坡崩滑形成的块碎石及碎屑物质等。因此，河床覆盖层具有在水平和垂直两个方向上组成物质变化较大、不均匀性较强的特点［1～4］。同时，钻孔揭示坝址区河床覆盖层厚度变化也比较大，一般厚度在40～100m之间，最薄仅7.84m，最厚可达127.66m，河心偏左岸覆盖层厚度较两岸厚，一般在70m以上。总体上形成了左岸基覆界线较陡、右岸基覆界线较缓的不对称“V”字型分布形状。坝址坝基覆盖层自上而下大致可分为五大层，各大层又可分为若干亚层或透镜体（图1）。

图1 坝轴线覆盖层剖面分层简图Fig.1 Stratified profile of the covering along the dam axis

层⑤：为全新世河流冲洪积相砂卵砾石层（Q4al＋pl）。以卵砾石为主，结构较松散，局部存在架空现象。卵砾石成分主要为石英岩、二云英片岩、长英质变粒岩，约占60%～75%；余为砂土，充填于空隙间。该层主要分布于河床表部，局部缺失。钻孔揭示厚度一般为3～5m，最厚达9.7m。

层④：为全新世多成因沉积堆积的混合层。主要为泥石流堆积块碎砾石夹堰塞湖相沉积砂土，及少量河流相冲洪积漂卵石和崩坡积块碎砾石。钻孔揭示该层厚一般为10～45m，最厚为47.2m，局部出露地表。按其成因和组成可细分为3个亚层，其中，④－3层和④－1层主要为静水环境堰塞湖相沉积的粉土、粉砂层（Q4l）；④－2层主要为漂（块）卵（碎）砾石夹砂土层（Q4sef＋al＋pl）。

层③：为全新世河流相冲洪积漂（块）卵（碎）砾石层（Q4al＋pl）。漂（块）卵（碎）砾石成分较杂，主要为石英岩、长英质变粒岩，约占75%～90%；余为砂土充填。钻孔揭示该层在河床中部连续分布，中密－密实，局部呈稍密状。厚度变化较大，一般在10～50m之间，最厚达59.5m。该层中存在透境体，为全新世河流相冲积砂土层（Q4al），以中细砂为主，呈似层状、透镜状或团块状。

层②：为晚更新世堰塞湖相沉积层（Ql3）。以深灰色粉土、粉砂为主，局部含少量中细砂及卵（碎）砾石，中－密实，具一定水平交错层理。钻孔揭示层厚变化不大，一般0.6～10.8m。

层①：为晚更新世形成的冲洪积漂（块）卵（碎）石层（Q3al＋pl）。漂（块）卵（碎）砾石成分主要为石英岩、二云英片岩、长英质变粒岩，约占80%～90%；余为砂土充填，呈透镜体或团块状分布。钻孔显示该层厚度变化较大，一般为10～30m，最厚可达42.5m。

下伏基岩：由志留系茂县群第四岩组（Smx4）和第五岩组（Smx5）构成。其中，第四岩组主要为灰－灰褐色二云英片岩夹二云片岩、变粒岩和少量石英岩，局部偶见薄层至条带状大理岩夹层侵入其中，该层又可分为3个亚层；第五岩组为一套石英岩、长英质变粒岩、斜长角闪岩以及二云英片岩夹大理岩组成的深变质岩组成，该岩组又可细分为3个岩性亚层。

(1)结合图8与图1可知，任务较少分布在远离市区的郊区，但是价格高的任务也偏偏都在任务分布少的地方。究其原因，大概是由于交通不便，导致人流量较小，会员数量也较少。所以要给较高的价格才会有会员愿意去完成相应的任务。

2.2 岩土体物理力学参数

根据室内及现场试验，并参照《水利水电工程勘察规范》（GB50287－99）和《工程地质手册》（第三版）经验值，坝址区各地层岩性物理力学性质见表1。

表1 坝基覆盖层物理力学参数建议值Table 1 Proposed physical and mechanical parameters for the covering

3 坝基变形规范法计算分析

3.1 计算方法

勘探资料显示，坝址覆盖层具有④－3、④－1和②三层广泛分布的堰塞湖相沉积砂土层，以及众多的砂土透镜体。这些透镜体厚度变化较大，10多厘米到10多米不等，且埋藏不一，地表以至地下深达100m具有分布；存在明显的不均匀性，结合坝型选择分析其不均匀沉降变形影响程度具有重要指导作用。为此，采用规范推荐的分层总和法计算坝基的沉降变形［1，5］。

根据《建筑地基基础设计规范》（GB5007－2002）中5.3.5条规定，在荷载作用下地基沉降量可按以下公式计算：

式中，S为地基最终变形量（mm）；S′为按分层总和法算出来的地基变形量（mm）；ψs为沉降计算经验系数（可根据规范经验取值）；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；P0为对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力（kPa）；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量（MPa），应取土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算；zi、zi－1为基础底面至第i层土、第i－1层土底面的距离（m）；ai、ai－1为基础底面计算点至第i层土、第i－1层土底面范围内平均附加应力系数，可查规范表。

3.2 计算参数

根据室内及现场试验，计算采用的参数见表1。此外，由于覆盖层埋深较大，其固结压力大于400 kPa，为了合理评价深层覆盖层土体的压缩性能，室内试验还针对层③增加了最大固结压力为3 200 kPa的压缩试验，结果表明层③的卵石层属于低压缩性土，中砂层属于中等压缩性土［6］。试验成果见表2和图2。

表2 最大固结压力为3 200kPa的土样压缩试验结果Table 2 Compression test results on soil samples under a consolidation pressure of 3200kPa

图2 最大固结压力为3 200kPa的土样压缩曲线图Fig.2 Soil sample compression curves under the consolidation pressure 3 200kPa

鉴于目前坝址覆盖层仅第③层有最大固结压力为3 200kPa下压缩试验资料，故在沉降计算中，其他各层的漂（块）卵（碎）砾石层和砂土层在附加应力大于400kPa的情况下，将参考表2数据进行取值。

3.3 计算方案

3.4 计算成果分析

该水电站坝址区覆盖层地基沉降量计算结果见表3。

图3 心墙坝2－2′纵剖面图Fig.3 2－2′vertical section of the core－wall damm

图4 面板坝2－2′纵剖面图Fig.4 2－2′vertical section of the face dam

图5 心墙坝轴线剖面图Fig.5 Axis section of the core－wall dam

图6 面板坝轴线剖面图Fig.6 Axis section of the face dam

表3 地基沉降量计算成果表 （mm）Table 3 Calculated results of foundation settlement

计算结果表明：各剖面的沉降量差异较大，这是由于不同剖面的基础埋深、附加应力值和作为地基的覆盖层其工程地质条件——如覆盖层的厚度、压缩性，特别是砂土层及砂土透镜体的厚度、压缩性等的差异造成的。另外，从表3沉降计算成果还可以得出以下几点认识：

（1）两种坝型在相同剖面上的沉降量均有一定的差异，但由于二者具有几乎相同的工程地质条件和相似荷载作用方式，因此，二者在相同剖面上的沉降量基本处于同一数量级。

（2）沿河流方向剖面，两种比选坝型的坝基最大沉降量值位于河道中心剖面2－2′和3－3′；垂直河流方向剖面，两种比选坝型的坝基最大沉降量值为Ⅱ－Ⅱ′剖面，即各坝型的轴线剖面。

（3）两种比选坝型的坝踵（Ⅰ－Ⅰ′剖面）沉降量大于坝趾（Ⅲ－Ⅲ′剖面）的沉降量，这是由于坝踵Ⅰ－Ⅰ′剖面叠加了库水荷载在坝基中形成的附加应力。

（4）两种坝型各剖面沉降量差异较大：心墙坝沉降量最小值为2.3mm，而最大可达到601.8 mm，相差达599.5mm。面板坝沉降量最小值为16.2mm，最大值405.9mm，相差达389.7mm。心墙坝无论是最大沉降量还是最大不均匀沉降量均大于面板坝。

（5）两种坝型同剖面各处的沉降量差异亦较大：沿河流方向，心墙坝的最大沉降差是543.6mm（2－2′剖面）；而面板坝为355.9mm（3－3′剖面）；垂直河流方向剖面，心墙坝和面板坝的最大沉降差均在II－II′剖面，分别为439.5mm和211.9mm。

（6）心墙坝和面板坝的坝顶沉降量最大值分别为601.8mm和405.9mm，未超过《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）规定（竣工后的坝顶沉降量不宜大于坝高的1%——设计坝高为116m，坝顶允许最大沉降量为1 160mm）。

4 坝基覆盖层应变场数值模拟研究

鉴于坝基覆盖层空间分布的不均匀性，规范法（分层总和法）预测结果的合理性有待进一步验证，为此，采用日本软脑株式会社研制开发的3D－σ三维有限元软件，对坝基覆盖层应变场进行了模拟验证分析［7～9］。

4.1 建立的模型

坐标系以沿河道方向为Z轴，河流上游方向为正方向；河道横断面方向为X轴，左岸方向为正方向；竖直方向为Y轴，正方向铅直向上。据此，以坝周线为中心建立三维评价模型（图7、图8），并对模型离散化。其中，心墙坝模型长550m，宽440m，高300m，模型共划分9 520个单元和45 520个节点；面板坝模型长500m，宽480m，高310m，模型共划分9 330个单元和44 663个节点。

图7 心墙坝坝址覆盖层评价模型Fig.7 Evaluation model for the Core－wall covering

4.2 模型参数

坝址区各岩土层物理力学参数取值见表1。上覆的水压力按90m水深计算，坝体容重按20kN/m3，坝高按120m评价。

图8 面板坝坝址覆盖层评价模型Fig.8 Covering model of the face dam

4.3 边界条件

根据坝址区地形、地质和新构造运动特征，给出如下假定：

（1）模型边界不考虑坝区构造应力的作用，只考虑库水压力和坝体的自重应力。

（2）模型沿河上下游边界、垂直河道两侧边界和底部边界深度以不影响覆盖层应变场重分布为原则。

（3）模型的左、右边界给予水平x方向的位移约束，底部边界给予垂直y方向的位移约束。

4.4 坝基覆盖层应变场分析

图9和图10分别为心墙坝和面板坝坝址覆盖层整体竖向变形分色图。

图9 心墙坝覆盖层竖向变形分色图Fig.9 Vertical deformation color image of the core－wall covering

由图9和图10可见，心墙坝坝址覆盖层的最大竖向变形为0.655m，面板坝坝址覆盖层最大竖向变形为0.680m。二者最大竖向变形略大于分层总和法计算结果，显示了较好的一致性。另外，两种坝型覆盖层的变形区都呈漏斗形或碟盘状，基本都是以河道中轴线与坝体中轴线交点附近为变形中心，与该处覆盖层厚度较大以及坝体引起的附加应力最大直接相关。

图10 面板坝覆盖层竖向变形分色图Fig.10 Vertical deformation color image of the face dam covering

5 结论

通过上述研究，总体上可以获得如下认识：

（1）坝基覆盖层主要由漂（块）石、卵砾石、碎石、砂（壤）土等组成，在空间上存在明显的分布不均匀性。总体上形成了左岸基覆界线较陡、右岸基覆界线较缓的不对称“V”字型分布形状。

（2）覆盖层分布的不均造成坝基不均匀沉降变形。心墙坝沉降量最小值2.3mm，最大为601.8 mm，相差599.5mm；而面板坝最小值16.2mm，最大为405.9mm，相差389.7mm。因此，单从沉降变形来讲，面板坝沉降变形量及沉降变形差优于心墙坝。

（3）数值模拟分析结果显示，覆盖层变形场总体呈漏斗形或碟盘状，以河道中轴线与坝体中轴线交点附近为最大变形中心，往上下游及两岸逐渐减少。

（4）该水电站坝址地基由于承受的附加应力较大以及地基覆盖层的工程地质条件空间差异性，造成地基较大的沉降量和不均匀沉降，虽然未超出规范规定量值，但仍可能会造成局部坝体破坏。需对坝基进行必要的加固处理，以减少地基沉降和不均匀沉降变形。

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SETTLEMENT DEFORMATION COMPARISON AND SELECTION BETWEEN A CORE－WALL HYDROPOWER DAM AND A CONCRETE FACE ONE

Yang Zhi－yong
（East China Construction and Engineering Corporation of Zhejiang，Hangzhou 310030，China）

A to－be－built dam is characterized by deep covering，big thickness variation，diverse matters，uneven distribution of matters，notable foundation settlement，and marked uneven settlement.Layer－wise summation method and three－dimensional numerical simulation method are used to evaluate the deformation and settlement with two kinds of dams，core－wall dam and face dam.The deformation and uneven settlement in neither case exceed the standard value，but the face dam is superior to the core－wall dam in both settlement and differential settlement.

deep covering；core－wall dam；face dam；foundation deformation；layer－wise summation；three－dimensional numerical simulation

P642

A

1006－4362（2011）03－0061－06

2011－05－04 改回日期：2011－05－23

国家自然科学青年基金项目（40802073）

杨智勇（1971－ ），男，高级工程师，1993年7月毕业于长春地质学院水文地质与工程地质专业；现为浙江华东建设工程有限公司专业总工程师，主要从事水电勘察、岩土工程勘察、地质灾害评估等工作。