深覆盖层上堆石坝地基强夯处理的应用研究

赵津磊 ， 包腾飞 ， 程 琳

（1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 210098；3.河海大学水利水电院，江苏 南京 210098）

0 引 言

面板堆石坝凭其造价低，对地形地质条件适应性好，可充分利用当地材料等诸多特点，成为施工设计中常用的坝型。目前，国内大部分面板堆石坝以修建在基岩上为主，直接修建在覆盖层上的面板堆石坝很少[1-3]。随着西部大开发的深入，将有更多的面板堆石坝和高土石坝工程修建在深覆盖层上。与修建在基岩上的面板堆石坝相比，深覆盖层上的堆石坝面临的主要问题是在水荷载和坝体重力的影响下覆盖层会产生较大的不均匀沉降变形，这必然会影响坝体、混凝土面板及防渗墙等结构的应力变形性状[4]。对于深度不大的覆盖层可以全部挖除，但当覆盖层较深时，势必会增大工程的造价和延长工期。由此可见，如何在经济合理和技术允许的条件下加固地基，减小深覆盖层的不均匀沉降是一个十分值得研究的问题。

强夯法是地基加固处理中常用的方法，不需要特定的材料，可以有效地提高地基承载力，减小不均匀沉降[5-6]。本文提出对深覆盖层上的面板堆石的趾板和坝体主堆石下部地基进行强夯处理，以减小坝基的不均匀沉降。为了详细研究地基强夯后对坝体、面板、防渗墙等结构的应力变形影响，拟设了3种强夯强度实施方案，运用有限元数值计算法对其实施效果进行了比选和论证，以期为深覆盖层上修建面板堆石坝工程建设提供技术支撑。

1 计算理论和方法

1.1 计算方法

本文运用有限元数值分析法，坝体材料采用邓肯-张双曲线非线性模型 （E-B模型）模拟其应力应变关系，该模型计算参数少，物理概念明确，主要参数有弹性模量K、弹性模量指数n、破坏比Rf、卸荷弹性模量Kur、体积模量数Kb、体积模量指数m及容度γ等，加载时采用切线弹性模量[7-10]。

以修建在深覆盖层上的某面板堆石坝为工程背景，该工程最大坝高124.0 m，坝顶高程288.5 m，坝顶长481.0 m，宽10.0 m，上游坝坡1∶1.5，下游坝坡1∶1.6。坝址处河谷呈 “U”形，大坝基础坐落在砂卵石深覆盖层上，一般厚度30 m，最大厚度41.87 m，岩性为含漂石及泥的砂卵石层，夹4层连续性不强的粘土及十几处砂层透镜体。笔者初步拟定对趾板和主堆石下部的地基进行强夯处理，强夯加固有效深度取为7 m，具体位置见图1。

图1 坝体材料分区（高程：m）

为详细研究强夯加固后的效果，通过采集覆盖层样本进行室内强夯试验，得到了3种强夯加固方案下地基的粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E及泊松比ν等计算参数，见表1~4。

表1 地基未处理前的参数

表2 强夯加固方案1地基的参数

坝体材料参数见表5。混凝土面板、趾板、连接板和混凝土防渗墙采用线弹性模型。混凝土面板弹性模量E=30 GPa，泊松比ν=0.167；趾板、连接板和混凝土防渗墙弹性模量E=28 GPa，泊松比ν=0.167。

表3 强夯加固方案2地基的参数

表4 强夯加固方案3地基的参数

表5 坝体材料E-B模型参数

1.2 计算模型

根据该工程坝址地质剖面图及大坝设计图，建立三维有限元计算网格 （见图2），共11 302个节点，9 625个单元。混凝土面板、趾板、连接板和垫层之间设置无厚度Goodman单元模拟接触面性状，面板垂直缝和周边缝等采用缝单元模拟。有限元数值计算中，模拟坝体的填筑过程，逐级施加荷载，混凝土面板分2期浇筑，1期面板完工后即利用面板挡水。

图2 三维网格剖分

2 计算结果分析

为了体现不同方案下计算结果的相对变化趋势，表6～8所列数值为将地基未处理方案下的结果设为1，其他3种方案与其比较所得的无量纲相对值。

2.1 坝体变形

坝体竣工时和蓄满水时坝体变形结果相对值见表6。由表6可知，随着强夯强度的增大，坝体竣工时和满蓄时各向位移均有减小趋势。虽然竣工时的上游向水平位移和沉降变形的相对减小量比较显著，实际竣工时上游向水平位移最大减少量只有2.0 cm，沉降变形竣工时最大减小量为13.1 cm，满蓄时最大减小量为13.5 cm，但相对于坝体尺寸，坝体变形的变化量是很小的。

表6 坝体最大变形最大值比较

2.2 面板应力变形

该工程混凝土面板分二期浇筑，一期面板浇筑至高程235.0 m，一期面板完工后即开始利用面板挡水，坝体填筑至坝顶后再浇筑二期面板。各方案下面板应力值计算结果相对值见表7。由表7可知，地基强夯处理后，顺坡向应力稍有增大的趋势，轴向应力稍有减小的趋势。从地基未处理到强夯强度最大的方案3，竣工时各向应力实际值变化很小，满蓄时顺坡向压应力增大1.7 MPa，拉应力增大0.4 MPa；轴向压应力减小0.6 MPa，拉应力减小 0.5 MPa。各方案面板挠度在高程方向分布见图3。

表7 面板应力最大值比较

图3 面板挠度沿高程分布

从图3可以看出，面板最大挠度变形出现在面板底部，图3中235.0 m高程处的转折点是由于面板分期浇筑，一期面板浇筑完毕即开始蓄水形成的，竣工时主要是一期面板发生挠度变形。随着强夯强度的增大，面板挠度逐渐减小，以面板底部最为显著，最大减小量达5.3 cm；满蓄时面板挠度同样呈逐渐减小的趋势，最大减小量为12.6 cm。

2.3 防渗墙应力变形

竣工时和满蓄时防渗墙的应力计算结果的相对值见表8。由表8可知，竣工时地基的强夯处理使压应力和拉应力都有减小的趋势，但实际变化量不大；满蓄时采用方案1和方案2时，压应力也略有减小趋势，但采用方案3时，局部压应力出现反弹，但总体变化量不大，满蓄时，拉应力比例因子减小到0.64，减小趋势比较显著。竣工时和满蓄时防渗墙向下游挠度沿高程分布见图4。

表8 防渗墙应力结果最大值比较

图4 防渗墙挠度沿高程分布

该工程竣工时已开始蓄水，所以防渗墙竣工时即呈现向下游变形。由图4可以看出，防渗墙挠度随着强夯强度的提高逐渐减小，竣工时最大减小量为5.3 cm，满蓄时最大减小量为7.3 cm。

2.4 接缝变位

接缝的三向变位结果见表9。由表9可知，面板缝的三向位移最大值整体呈减小的趋势，但变化量不大，均在0.5 cm以内。受地基强夯处理影响，河床位置的周边缝在方案2之前呈略有增大的趋势，但采用方案3的强夯强度时变形又得以缓和。地基强夯处理后连接板与趾板之间的变形表现为压缩变形有变大的趋势，变化量均在1.6 cm以内。连接板与防渗墙的三向变形在地基强夯后主要表现为沉降变形逐渐减小，最大减小量均在0.8 cm以内。

表9 接缝变形变形结果cm

3 结 论

有限元计算结果可知，地基强夯处理后，坝体的水平位移和竖向沉降都有所减小。混凝土面板的挠度随着强夯强度的增大也呈逐渐减小的趋势，尤其是面板底部位置变形，地基强夯加固后面板的顺坡向应力会略有增大，轴向应力会略有减小，但实际变化数值不大。地基强夯处理后防渗墙后侧地基模量变大，故而防渗墙向下游方向挠度变形明显变小，地基加固后防渗墙拉应力明显变小，压应力稍有增大，整体来看对防渗墙的稳定性还是比较有利的。由于地基加固后坝体变形变小，故位于坝体上的面板缝的三向位移也得以改善，趾板与连接板间的沉降变形也有相应的减小。因此，趾板和主堆石下部覆盖层进行强夯处理后，有效地改善了坝体、混凝土面板和防渗墙等结构的应力变形形态，提高了深覆盖层上面板堆石坝的整体安全性。

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