深厚覆盖层上某闸坝工程的应力应变分析

张学峰 吕高峰 孔维耀 崔伟杰 樊科伟

（河海大学 水利水电学院，南京 210098）

我国西南地区水力资源丰富，伴随着我国水利水电工程建设的发展，有许多地质条件不错的坝址均已建坝.因此，水力资源的继续开发不得不探讨如何在深厚覆盖层上建坝这一复杂难题.覆盖层具有结构松散、渗透性强、岩性不均匀等特征，使工程常遇到地基承载力低，不均匀沉降大，渗流不够稳定等问题.所以，深厚覆盖层上不宜建重力坝，相对而言深厚覆盖层上更适合建土石坝，然而，土石坝又不具备泄洪的能力，而且覆盖层的地质条件也不适合开挖引水隧洞.因此，在深厚覆盖层上修建水工建筑物可以在河谷地形平坦，深厚覆盖层较薄的位置修建闸坝，其他不利建重力坝的位置由土石坝代替.但是，在深厚覆盖层上的闸坝对承载力、不均匀沉降和渗流稳定要求很高.针对以上问题，本文根据深厚覆盖层上某闸坝工程为原型，利用SDAS软件进行建模、计算和后处理分析.通过研究分析，得出了深厚覆盖层处理后该闸坝工程的闸底板沉降变形情况与防渗墙应力分布，提出了相应的工程建议.

1 工程概况

坝址区河床覆盖层深厚，结构层次较为复杂，覆盖层最深处达到130m.覆盖层剖面图如图1所示.根据其成因时代和物质组成等，河床覆盖层自下而上大致可分为6层:第1层是漂（块）卵（碎）石层.该层分布于河床底部深槽部位，厚度变化较大，一般为10～30m.第2层是粉土、粉砂层.该层分布于河床下部，厚度为0.65～10.80m，工程性状较差.第3层是漂（块）卵（碎）砾石层.该层厚度大，一般为20～50m，工程性状较好.第4层是漂（块）石夹卵砾石层，工程性状与第3层类似，计算参数很接近.第5层是粉土、粉砂层，厚度在10m左右，具有微透水性，工程性状差.第6层是砂卵砾石层，主要由漂石卵砾石构成，其余充填砂土.该层主要分布于河床表部，较连续，结构疏松，透水性强.

图1 某水电站坝址河床覆盖层剖面图

该工程采用混合方式开发，初拟正常蓄水位1996m，总装机容量1197.6MW.电站属二等大（2）型工程，枢纽建筑物主要由拦河闸坝、引水系统、发电厂房及开关站等组成.拦河闸坝呈直线布置，坝顶高程1999.5m，闸坝轴线长302m，最大闸高42m，沿轴线从左向右布置有左岸挡水坝、冲沙闸、泄洪闸和右岸挡水坝.闸底板高程1963.5m、1966m，底板厚度5 m，闸室长60.0m，孔顶设2.5m厚胸墙至坝顶，闸室上游设30m长的混凝土连接板，下游设60m长的混凝土护坦和100m长的大块石海漫.枢纽平面布置如图2所示.

图2 某水电站首部枢纽平面布置图

2 有限元模型及计算条件

2.1 三维有限元网格模型

图3为有限元计算的三维网格，网格包括闸坝、重力坝、土石坝、山体、覆盖层和基岩，网格总共划分单元111568个，节点121231个.坐标系为:x轴为坝轴向，0点位于闸（坝）左右0＋0，指向闸左为正；y轴为顺河向，0点位于闸（坝）上下0＋0，指向下游为正；z轴为垂直向，向上为正.上下游和左右岸边界为截断边界，底部为固定边界.

图3 某深厚覆盖层闸坝三维有限元网格模型

2.2 计算模拟

本次计算主要采用邓肯－张E－B非线性弹性模型.非线性弹性模型以广义胡克定律为基础，其应力应变关系采用增量形式表示为:

式中，［D］为刚度矩阵，表达式如下:

该模型中的切线弹性模量Et和切线体积模量Bt的计算公式分别为:

式中，Rf、K、n、Kb、m 为模型参数；c、φ 为抗剪强度指标.由于土石材料的抗剪强度包络线通常为通过原点的向下弯曲的曲线，并非是一条直线，因此取c＝0，φ＝φ0－Δφlg（σ3／pa）.

闸坝段、重力坝段、防渗墙、混凝土心墙以及基岩山体均采用线弹性模型，其表达式为:

刚度矩阵［D］与式（2）相同.混凝土防渗墙和覆盖层及闸室地表与覆盖层之间设了接触单元.本次计算采用无厚度Goodman接触面单元进行模拟.

Goodman单元是一种无厚度单元，以两边对应结点相对位移作为变量，分析时不考虑接触面法向应力和剪应力及法向相对位移和切向相对位移之间的耦合作用.Goodman单元能较好地模拟接触面上的错动滑移或张开，且能考虑接触面变形的非线性特性.其缺点是单元厚度为0，有时会使两侧单元重叠.为防止出现这种现象，一般在受压时采用较大的法向劲度系数.

2.3 计算方案参数及有限元程序

对于深厚覆盖层地基，工程拟采取挖除坝基下前已论述的第5层和第6层、回填石渣料或砂砾料、碾压密实的施工方案.计算所采用的主要参数见表1.

表1 三轴剪切试验邓肯模型（E－B）参数表

计算程序采用土石坝静动力分析软件SDAS（又名“实打实”）进行计算.该软件具有建模、计算、后处理等功能，经过不断地完善，目前已是一款具备友好界面、强大计算功能、实用性很强的静动力分析软件.该软件已在苗尾心墙堆石坝、响水涧面板堆石坝、宜兴抽水蓄能电站上水库主坝面板堆石坝等10余座闸坝工程中得到运用，为工程设计提供了有益的参考.

3 计算结果分析

计算加载时，首先模拟天然坝基覆盖层求得初始应力，再分级模拟闸室结构、重力坝段和混凝土坝段填筑，最后分级模拟蓄水位至正常蓄水位1997m，弧形工作闸门挡水.本次分析是在深厚覆盖层进行处理后得出的结果，闸坝基础覆盖层厚度一般为80～130 m，闸基及两岸混凝土重力式挡水坝基础挖除覆盖层第⑤、④层，回填级配良好的石渣料，并进行深层、浅层固结灌浆处理，浅层固灌深度15m，深层固灌最大深度70m.计算工况分两种，工况1:坝体竣工期.工况2:水库运行期（上游蓄水至正常蓄水位1997m，下游水位为1971.36m）.

3.1 闸底板沉降

图4分别是竣工期和运行期的闸底板沉降图，竣工期闸底板最大沉降是16cm，闸底板沉降的主要区域是闸室下面，并且随着向河谷中间靠近，沉降逐渐增大，主要原因是在竣工期闸底板受到的作用力主要来自闸室，并且河谷中间的覆盖层较为深厚.运行期的最大沉降值是18cm，比竣工期的沉降大，主要是因为蓄水后水压力的作用使得沉降增加.

图4 闸坝底板沉降位移（cm）

3.2 防渗墙应力

图5、图6为竣工期和运行期防渗墙应力等值线图（注:图中压应力为正，拉应力为负）.防渗墙大主应力在竣工期和蓄水期均为压应力，集中在闸室下方、防渗墙顶部位置.运行期的大主应力有所增加，主要是因为蓄水后，由于水压力的作用，使得防渗墙受到的压应力增加，但大主应力依然满足强度要求.小主应力在竣工期和运行期也均为压应力，应力主要分布在闸室下方、防渗墙底部位置.蓄水后防渗墙的小主应力在水压力的作用下增大.从竣工期及运行期的大小主应力来看，想要减小防渗墙的应力，深厚覆盖层开挖回填深度还需增加，为了防止防渗墙拉坏，在防渗墙上游还需要进行深层固结灌浆，来分担部分的应力，不至于防渗墙应力过大而导致破坏.

3.3 防渗墙位移

图7为竣工期和运行期防渗墙顺河向变形分布图.防渗墙竣工期时的顺河向变形朝向上游，最大变形为3cm，位于闸坝下方防渗墙中部.蓄水期由于水压力的作用，防渗墙的顺河向位移增大到6cm，朝向下游.

图7 防渗墙运行期、竣工期顺河向变形等值线图（cm）

4 结 语

通过对本工程的计算分析，竣工期闸底板最大沉降是16cm，运行期的最大沉降值是18cm.沉降均在闸室下方，主要因为河谷中间深厚覆盖层深厚，闸底板承受闸室作用力过大，说明在河谷中间开挖回填及配料尤为重要.

从防渗墙的应力分析可以看出在深厚覆盖层上建闸坝，如果覆盖层处理不够到位，会直接导致防渗墙拉应力过大，在运行期甚至会受压破坏.防渗墙竣工期的水平位移向上游，然而运行期由于水荷载作用，水平位移向下游，最大值为6cm.

防渗墙变形、应力过大、闸底板沉降变形等问题，均可以通过对深厚覆盖层进行处理来实现改进，比如挖除粉土层及夹砂卵砾石层，回填胶凝砂砾石材料以及胶凝砂卵石料这两层，两层材料强度向下呈渐变小趋势，这样即使回填胶凝砂卵石基础不进行固结灌浆，计算结果也可满足规范要求.

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