砂砾石覆盖层上的面板堆石坝施工期沉降变形分析

2017-12-20，，

地下水 2017年5期

关键词：堆石坝覆盖层砂砾

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(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550003)

砂砾石覆盖层上的面板堆石坝施工期沉降变形分析

潘盛泽，陈敏涛，严克渊

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550003)

厚层砂砾石覆盖层具有较大的压缩性，在其上修建的面板堆石坝可能产生很大的沉降变形。为研究坝体与坝基的沉降变形特征，以榕江县龙塘水库为例，在考虑地基覆盖层孔隙水压力的条件下，利用GeoStudio软件的SIGMA/W有限元模块对大坝及坝基进行了二维有限元模拟计算；结果表明：在大坝自重荷载的作用下，砂砾石覆盖层产生的垂向位移较大，对面板堆石坝的沉降变形会产生较为明显的影响；但大坝沉降变形仍然在合理的范围内，在砂砾石覆盖层上修建面板堆石坝具有一定的可行性。

砂砾石；沉降；施工期；SIGMA/W；有限元

面板堆石坝是以堆石体为支承结构，并在其上游表面浇筑混凝土面板作为防渗结构的堆石坝。它具有施工周期短、节省工程投资、安全可靠、适应性强等优点，已成为当今水利水电工程建设的重要坝型之一[1]。砂砾石是河床中一种常见的粗粒土，在沉积过程中，由于周围自然环境的复杂与多变，导致其粒径大小不等、结构松散，具有较大的压缩变形特征[2]。早期，在面板堆石坝施工前一般清除砂砾石覆盖层将坝体填筑在稳定的基岩上。然而，将面板堆石坝直接修建在砂砾石覆盖层上具有节省工程量、缩短工期、简化施工导流等明显优点[3]，但砂砾石覆盖层作为大坝基础，可能引起面板堆石坝产生较大的沉降变形，造成坝体预留沉降超高不足等问题而影响大坝的安全，所以研究砂砾石覆盖层上的面板堆石坝的沉降变形是十分必要的。

影响面板堆石坝沉降变形的因素较多，如覆盖层的厚度、河谷形状、填筑料的密度等，一般与坝体高度和覆盖层厚度平方成正比，与填料、覆盖层的压缩模量成反比。在施工期，面板堆石坝是处于一个不断填筑的过程，随着填筑高度的不断升高，坝体下部堆石承受上部堆石的重量与覆盖层的荷载不断增加。坝体下部堆石体中的部分块石棱角、较软弱块石被压导致折断或破裂，覆盖层受压后孔隙体积减少，从而导致坝体施工期沉降变形[4]。在施工期，坝体会随着堆石体填筑和时间效应完成大部分沉降变形[5]。本文以榕江县龙塘水库为例，使用GeoStudio软件的SIGMA/W模块对坝体的填筑过程进行了模拟，并选择邓肯E—B模型，对大坝与坝基进行了施工期沉降变形的二维有限元分析。

1 工程概况

龙塘水库位于贵州省榕江县，挡水建筑为面板堆石坝，最大坝高67.3 m，坝顶高程511.3 m，坝顶宽6.0 m，上游坝坡为1:1.4，下游坝坡为1：1.35,下游坝坡设置了三条马道。地基采用防渗墙进行防渗处理，防渗墙厚0.8 m。面板由C25混凝土组成，面板厚度为0.4 m。趾板和连接板直接修建在河床砂砾石上。大坝施工前，挖除受水流冲刷的表层1 m厚的砂砾石层后，对坝基进行强夯加固处理，并在其表面铺设反滤过渡料进行保护。坝体断面分区如图1所示。

图1 坝体断面分区图

坝址两岸岸坡较陡，多见有基岩出露。河床为冲洪积砂砾石层，粒径一般为0.3～30 cm，级配总体较好，厚11.0～12.0 m；砂砾石层下伏基岩为清水江组凝灰质板岩。大坝全年用围堰进行挡水，为减小坝体不均匀沉降及其对面板的影响，坝体填筑采用全断面均衡上升。坝体填筑到防浪墙底后经4个月左右的预沉降，开始对混凝土面板进行一次性的浇筑。另外，为了保证施工场地干燥与坝基强夯的效果，在上下游围堰堰脚附近各开挖一个深2 m的集水坑，对围堰渗水、雨水与施工废水等进行抽排。大坝在施工顺序安排上，先进行防渗墙与趾板的浇筑，后进行大坝坝体的填筑；在坝体填筑和防渗墙施工结束且沉降基本稳定后，再用连接板将防渗墙与趾板相连接，避免了施工期的不均匀沉降。

2 邓肯E—B模型简介

邓肯E—B模型属于非线性弹性模型。该模型的弹性模量是应力状态的函数，对加荷和卸荷的粗粒料分别采用不同的模量，能反映堆石体变形的非线性特征。它的参数少、物理概念较为明确，从常规三轴试验就可得到计算参数，目前对面板坝堆石体与砂砂砾石坝基的应力变形计算分析中多采用该模型[6]，它具有十分丰富的类比计算成果。邓肯张E—B 模型的弹性常数可按式(1)-(4)计算。

(1)

(2)

对卸荷与重新加载的情况，回弹模量由下式计算：

Eur=KurPa(σ3/Pa)n

(3)

对于粗料料(堆石料等)抗剪强度表示为：

φ=φ-Δφlg(σ3/Pa)

(4)

式中：Et为切线弹性模量，Bt为切线体积模量；c为土体粘聚力；φ为土体内摩擦角；Pa为大气压力；Rf为破坏比；K为初始模量系数；n为初始模量指数；Kb为体积模量系数；n为体积模量指数；Kur为卸载模量系数。

3 变形分析研究

3.1 计算模型的建立

SIGMA/W可通过控制区域的激活对大坝的施工顺序进行模拟，并采用线性、非线性的本构模型对大坝及坝基进行有限元分析，最终获得坝体与坝基的沉降变形特征与应力传递规律。

图2 大坝有限元分析模型

根据坝高及坝段的地形地质变化情况，通过最大坝高断面建立模型，模型坝体高度为67.3 m，覆盖层厚度为10.0～10.5 m，模型计算范围为0

3.2 边界条件

大坝基础上、下游两侧为法向零位移边界，底面为水平与法向零位移边界，上部为自由边界。地下水位线位于地表2 m以下，为了计算出准确的初始应力场，在堆填模拟前，对大坝进行了考虑孔隙水压力的原位分析。坝体施工期，荷载为堆填体自重，模拟荷载施加共分20级(即模拟面板堆石坝每层填筑的高度约为3.5 m)。防渗墙、趾板等混凝土结构均按施工顺序进行模拟。

表1 邓肯E-B 模型计算参数

3.3 材料模型参数

大坝填筑体与覆盖层采用邓肯E—B 模型模拟，以试验成果为基础，通过工程地质类比[7-8]，其模型参数见表1。各防渗结构与基岩采用线弹性模型进行模拟，其模型参数见表2。防渗结构与坝体、覆盖层之间可能存较大的相对位移，采用有厚度的接触面单元来模拟，接触面单元计算参数采用：G=100 GPa，φ=48，c=0，μ=0.33。

表2 防渗结构和基岩计算参数

3.4 沉降变形分析

大坝与坝基的变形均以沉降变形为主，水平变形相对较小。大坝坝体沉降量随时间的变化曲线如图3所示，在坝体填筑初期，坝体沉降与填筑时间呈线性关系，此阶段的沉降值相对较小；在坝体填筑中后期，坝体的沉降随着筑坝的加高而快速增大，此阶段坝体沉降增加量较大；在坝体填筑未期，大坝的沉降增加量逐渐减小最终趋近于零。

图3 坝体沉降随时间变化曲线

在施工期末，最大坝高断面处坝体与基础的沉降变形如图4所示。在坝基砂砾石覆盖层的影响下，坝体的最大沉降量为-0.368 m，约为大坝高度的0.55%，位于坝体中部略偏上的位置，与修建在基岩上的面板堆石坝相比最大沉降位置略向下偏移。

图4 施工期末大坝与坝基沉降等值线图(单位：m)

坝基砂砾石覆盖层的变形由坝体填筑引起，最大沉降量为-0.16 m，位于大坝坝轴线附近，约为覆盖层厚度的1.45%，为施工期末坝体的最大沉降量的43%；大坝上、下游两侧的覆盖层会产生轻微的隆起现象，位移最大值为+0.012 m。表明在坝基不排水的情况下，地基的体积不发生改变；坝基中部沉降后，向上、下游两侧挤压，导致两侧发生隆起。

由数值分析可知，坝顶沉降主要是由大坝堆填体与砂砾石地基的压缩所引起。砂砾石覆盖层在大坝堆填体荷载下产生较大的压缩变形，进而使坝体的沉降量增加，对面板堆石坝的沉降变形会产生较为显著的影响。但是，大坝沉降变形仍然在合理的范围内，说明建于砂砾石覆盖层上的面板堆石坝是较安全的。

另外，在施工期末，趾板向上游位移-0.071 m，同时趾板发生-0.005～+0.01 m的垂向位移；连接板向上游位移-0.056 m，连接板上游与下游端的垂向位移量分别+0.006 m、+0.009 m；防渗墙向上游位移最大-0.024 m，墙顶的垂向位移量为+0.006 cm。表明防渗结构变形较小，坝体防渗较可靠。

近些年，已经有越来越多的面板堆石坝直接修建在覆盖层上，这为其它工程建设积累了较多的监测资料与计算数据。本文选择与龙塘水库面板堆石坝坝高与覆盖层相近的已建工程[9-10]，将沉降计算值与其进行对比分析，可以看出本文的计算结果符合沉降变形规律，计算值较为合理，砂砾石坝基可以作为面板堆石坝的基础。

3.5 应力分析

施工期末大坝与坝基垂直应力分布如图5所示。由数值计算可知，面板堆石坝最大、最小主应力与垂直应力的分布形态基本一致，最大值分别是1 300 KPa和700 KPa，均发生于坝基中央覆盖层与基岩接触带附近。这主要是砂砾石坝基受上部堆填体进一步压缩所导致。说明应力分布主要取决于坝体的自重且砂砾石坝基对坝体应力分布会产生较大的影响，会引起坝基最大与最小主应力的增大。