复杂地形地质条件下覆盖层上面板堆石坝的应力变形研究

姚 杰（浙江中水工程技术有限公司，浙江 杭州 310020）

复杂地形地质条件下覆盖层上面板堆石坝的应力变形研究

姚 杰
（浙江中水工程技术有限公司，浙江 杭州 310020）

通过有限元数值模拟的方法，研究了复杂地质地形条件下覆盖层上面板堆石坝的应力变形特性。研究了地质及地形条件的改善措施，计算分析了防渗墙和面板的应力变形、面板接缝变位以及坝体的变形和应力。研究结果表明，采用合理工程措施后，坝体应力变形规律正常，混凝土防渗墙及混凝土面板的应力在其强度允许范围之内，面板接缝变位在止水结构允许范围内，可满足覆盖层上面板堆石坝安全运行的需要。图7幅，表1个。

面板堆石坝；覆盖层；防渗墙；面板；接缝；应力变形

0　引 言

覆盖层上直接修建面板坝具有节省工程量、缩短工期、简化工程导流等优点，当坝址覆盖层可利用时，将河床趾板直接建在覆盖层上的混凝土面板坝与把覆盖层挖除后将趾板置于基岩上的混凝土面板相比，具有明显的经济优势。经过多年的发展，国内外已经建成了一批100 m级深覆盖层上面板坝，如我国的那兰［1］、察汗乌苏［2］、苗家坝［3］、多诺［4］、斜卡［5］等面板坝，坝高都在110 m左右，九甸峡面板坝［6］的坝高达到了136.5 m，是我国已经建成的最高的深覆盖层上的面板坝。国外较为有名的将趾板建在覆盖层上的混凝土面板堆石坝是智利的Santa Juana坝和Puclaro坝［7］，Santa Juana坝修建在30m厚的覆盖层上，坝高106 m，防渗墙深入基岩，深度为35 m；Puclaro坝修建在113 m厚的覆盖层上，坝高83 m，防渗墙采用悬挂式，深度为60 m。位于尼泊尔西部Seti河与Chama Gad交汇处的West Seti坝［8］，坝高达190 m，覆盖层厚50 m，是目前同类工程中设计高度最高、难度最大的一座坝。

覆盖层上面板坝的关键技术问题是防渗系统适应变形和强度的要求，而防渗系统的应力变形影响因素复杂［9］。覆盖层本身工程特性是坝体及防渗系统应力变形的直接影响因素，而坝址河谷形态的影响也很大，如九甸峡面板坝，由于坝址处河谷狭窄，岸坡陡峭，坝体运行过程中面板周边缝出现了较大的变位，沉陷和剪切变位分别达到了6 cm和5 cm量级。因此，对于复杂地质地形情况覆盖上面板坝建设，应有相应对策。

1　工程概况

某面板坝工程坝高88 m，坝址处覆盖层厚度20 m。覆盖层以冲积成因为主 ，崩积次之，物质组成主要为灰色砂卵砾石，巨块石约占10%，卵石含量约65%，砂砾含量约15%，粉粒含量约10%，颗粒级配较差，泥质含量极少，卵石粒径一般5～30 cm，崩积巨石、块石一般为150～300 cm，最大粒径可达10 m，均一性较差 ，勘探时未发现明显的架空现象。同时，两岸岸坡陡峭，几近垂直。为了节省工程投资和工期，采用在覆盖层上直接建面板坝方案，坝基采用80 cm厚混凝土防渗墙防渗，防渗墙与面板之间设3畅5 m长连接板和7 m长趾板。

2　设计处理

本工程面临的主要技术问题有两个：一是覆盖层力学条件较差引起防渗系统较大的应力变形；二是陡峭岸坡可能引起面板周边缝超标。针对上述两个问题，分别进行了处理：

考虑到坝基覆盖层不是很深厚，且坝高不足100 m，所以覆盖层处理重点是保证防渗墙应力满足强度要求，同时趾板、连接板不致出现过大沉降。为此，覆盖层处理在趾板、连接板及其下游一定范围内进行注浆，以提高覆盖层抗变形能力 （见图1）。为了处理陡峭岸坡引起面板周边缝产生过量变形的问题，在左、右岸陡壁段设置混凝土高趾墙结构改善岸坡形态 （见图2），混凝土挡墙与岸坡之间采用钢筋锚固。

3　应力变形研究

3.1计算模型与计算参数

应力变形计算采用三维有限元进行 ，计算中堆石料本构模型采用沈珠江院士提出的 “南水”双屈服面弹塑性模型［11］，模型共涉及8个计算参数 c、φ、Rf、K、n、cd、nd和 Rd，其中c、φ为强度指标，对于堆石料 c＝0，摩擦角用ϕ0、Δϕ表示；

图1　设计剖面及覆盖层处理

图2　陡坡段趾墙结构示意

K、n为杨氏模量系数及幂次，Rf为破坏比，cd、nd、Rd为切线体积比参数。混凝土结构采用线弹性模型。面板与垫层、趾板与地基、连接板与地基、防渗墙与地基之间采用无厚度接触面单元模拟接触特性。表1为计算参数，坝体堆石料及覆盖层参数由试验确定，混凝土结构弹性模量及泊松比根据其标号确定 （见表1）。

表1　静力计算参数

图3　最大剖面蓄水期变形等值线 （单位：cm）

3.2计算结果分析

图3为最大剖面蓄水期沉降和顺河向水平位移计算结果 （见图3）。坝体变形分布符合一般规律，蓄水期最大沉降为37.4 cm，位于坝轴线半坝高附近。上游向水平位移最大值为4.1 cm，下游向水平位移最大值9.8 cm。

混凝土防渗墙的顺河向变形如下所示 （见图4），竣工期受下游覆盖层的侧向挤压作用 ，防渗墙顺河向变形表现为向上游变形，最大顺河向变形为-2.7 cm。蓄水期受库水压力作用，顺河向变形表现为向下游变形，最大变形为6.0 cm。由蓄水引起的最大顺河向变形为8.7 cm。由于防渗墙下游覆盖层进行了注浆处理 ，较好地控制了防渗墙的变形，最大顺河向变形均位于河床中央防渗墙顶部。

图4　混凝土防渗墙的顺河向变形等值线 （单位：cm）

蓄水期防渗墙上游面和下游面应力分布分别如下所示 （见图5）。在水压力和墙侧摩阻力作用下，防渗墙主要受压，在两岸墙底附近局部受拉。上游墙体大主应力最大值为7.28 MPa，小主应力压、拉应力最大值分别为4.94、1.11 MPa；下游墙体大主应力最大值为8.97 MPa，小主应力压、拉应力最大值分别为4.99、1.07 MPa。防渗墙拉、压应力均在混凝土允许范围内。

图5　蓄水期混凝土防渗墙应力等值线 （单位：MPa）

混凝土面板蓄水期的挠度与轴向变形计算结果如下所示 （见图6）。面板最大挠度为14.9 cm，位于1/3坝高附近，右侧面板轴向向左岸变形，最大值为0.8 cm，左侧面板轴向向右岸变形，最大值为1.0 cm。

图6　蓄水期混凝土面板变形等值线 （单位：cm）

图7　蓄水期混凝土面板应力等值线 （单位：MPa）

面板蓄水期的轴向应力与顺坡向应力计算结果如下所示 （见图7）。面板轴向及顺坡向应力分布规律相似，河谷部位受压，两端周边缝附近受拉，最大轴向压应力为7.36 MPa，最大轴向拉应力为1.07 MPa，最大顺坡向压应力为6.42 MPa，最大顺坡向拉应力为0.60 MPa。

蓄水期连接板与趾板以及防渗墙与连接板之间的接缝处于压紧状态，接缝错动很小，连接板与趾板间接缝最大相对沉陷为8.7mm，连接板与防渗墙间接缝相对沉陷较大，最大相对沉陷为17.9mm。

蓄水期面板周边缝的三向变位计算结果显示：周边缝变形表现为有张有压 ，错位主要表现为向河谷错动，沉陷为指向坝内；岸坡陡坡段周边缝变形较大；最大张开为13.3mm，最大沉陷为35.7mm，最大错动为19.3mm，均发生在岸坡陡坡段高趾墙部位。

三维有限元计算结果显示，经过覆盖层注浆加强处理及陡峭岸坡贴坡挡墙修坡处理后 ，大坝防渗系统应力变形性态良好，混凝土结构强度及止水结构变形均能满足要求。

4　结 语

三维应力变形有限元计算结果显示 ，坝体及防渗系统应力变形规律正常 ，量值在正常范围内。蓄水期坝体最大沉降37.4 cm，沉降率约为0.35%；面板最大挠度14.9 cm，蓄水引起的防渗墙最大顺河向变形为8.7 cm；面板、防渗墙和趾板等混凝土结构的应力以压应力为主，拉应力发生在混凝土结构与基岩岸坡连接部位附近局部范围内，最大压、拉应力均在混凝土材料允许范围之内；岸坡陡壁段面板周边缝变形较大，最大沉陷为35.7mm，最大错动为19.3mm，最大张开为13.3mm，变形在止水结构允许范围内；经过灌浆处理后，连接板与防渗墙之间的接缝最大沉陷为17.9mm，在止水结构能够适应的变形范围内。经适当处理后，本工程在复杂地质地形条件下修建面板堆石坝是可行的。

［1］ 沈 婷，李国英，李 云 ，李 娟，冯业林.覆盖层上面板堆石坝趾板与基础连接方式的研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（14）：2588_2592.

［2］ 王 伟，张发中.开都河察汗乌苏水电站覆盖层上趾板结构设计［J］.西北水电，2004（4）：11_14.

［3］ 张 云，蔡智云.混凝土面板堆石坝坝基深厚覆盖层处理设计与试验研究分析［J］.西北水电，2010（6）：59_62.

［4］ 刘 娟，马 耀.深厚覆盖层上高面板坝防渗体系设计研究［J］.水力发电，2008，34（8）：81_83.

［5］ 沈 婷，李国英 ，等.斜卡水电站混凝土面板堆石坝坝体三维有限元静动力分析［R］.南京：南京水利科学研究院，2006.

［6］ 徐泽平，王志强，吕生玺，等.九甸峡混凝土面板堆石坝应力变形分析［J］.水力发电，2010，36（11）：67_70.

［7］ Auguita P et al.Two Chilean CFRD Designed on Riverbed Alluviums.Proceedings of International Symposium of High Earth_Rockfill Dams［C］.Beijing，1993.

［8］ Knneally D，Fuller M and Qi He.The West Seti CFRD planned for western Nepal［J］.The International Journal on Hydropower&Dams，2001，8（5）：75_77.

［9］ 李国英.覆盖层上面板坝的应力变形性状及其影响因素［J］.水利水运科学研究 ，1997（4）：348_356.

［10］闫小淇，张世杰，吕乃兵.九甸峡水利枢纽工程原型观测设计及观测成果初步分析［J］.水力发电，2010，36 （11）：87_90.

［11］朱百里，沈珠江.计算土力学［M］.上海：上海科技出版社，1990.

责任编辑 吴 昊

2016-06-22

姚 杰 （1973-），男，高级工程师，主要从事水利水电工程设计及研究工作。

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