施工期面板坝挤压边墙破损对填筑质量的影响

田林钢 张一鸣 李勇昌 侯胜超 张 扬 黄云超

（1．华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2．黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450011）

0 引言

在混凝土面板堆石坝施工过程中，上游坡面挤压边墙技术的应用越来越广泛，替代了传统面板堆石坝上游坡面施工过程中的垫层料超填、削除多余坡面、修整坡面、坡面碾压和坡面防护等工序，加快了施工速度，提高施工进度，保证施工质量[1]。

随着挤压边墙技术的发展，罗先启等人[2]结合水布垭面板堆石坝工程实例分析研究挤压边墙技术对面板的应力-应变影响；周伟等人[3]研究了挤压边墙对高面板堆石坝面板应力影响及裂缝产生原因；彭兆轩等人[4]分别从压力荷载情况挤压边墙的破碎机理进行研究，证明了挤压边墙破坏逐渐增大的连续性。关于挤压边墙对面板应力应变的研究已取得一批具有重要理论价值和实际意义的成果，但挤压边墙对填筑料所造成的应力应变影响研究甚少。鉴于挤压边墙材料的强度低及施工环境的复杂性，施工过程中经常出现挤压边墙开裂、破碎或脱落的情况，因此挤压边墙破坏对填筑料的位移及应力分析研究，对保障大坝施工安全，保证面板施工质量很有必要。

1 工程概况及存在问题

新疆某水库工程位于新疆昌吉自治州白杨河流域，总库容2130万m³，调节库容1890万m³。上水库坝体为混凝土面板堆石坝，最大坝高60 m，坝顶宽度10 m，坝顶长度210m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.5，从上游到下游依次分为4个主要填筑区，分别为垫层区、过渡层区、主堆石区和次堆石区。

面板堆石坝填筑采用挤压边墙技术，由于新疆地区天气寒冷，昼夜温差大，而挤压边墙所采用的低强度混凝土，使挤压边墙难以达到预期强度，混凝土中的水易结冰，进而造成混凝土产生冻胀应力和温度应力，导致挤压边墙出现裂缝破坏、脱落及低强的现象，使其失去原有功能，进而可能影响堆石坝的填筑质量及后期面板的施工质量。

2 数值模拟模型构建

2.1 堆石料本构模型

目前，国内外混凝土面板堆石坝的有限元分析中，堆石料的本构模型主要采用2种类型：非线性弹性模型和弹塑性模型。因为堆石料的颗粒体结构变形非完全为弹性特性，而是具有典型的弹塑性特性，所以对面板堆石坝的模型构建，可以选用邓肯提出的增量弹性模型拟合黏性土和砂性土的应力应变关系。邓肯E−B模型计算所得的坝体水平位移及沉降量较堆石坝实际值更大，作为工程设计的依据是偏安全的，因此更具应用价值[5]。

邓肯E−B模型的切线弹性模型的表达式如公式（1）所示。

式中：（σ1-σ3）为主应力差；K、n为无因次基数和无因次指数，是决定土质的试验常数；Pa为大气压强；c为土体的黏聚力；φ为土体的内摩擦角；Rƒ为破坏比。

式中：B为体积模量；E为切线模量；ν为泊松比。

式中：Pα为大气压力，MPa；Kb为体积模量；m为体积模量无因次指数。

GeoStudio软件SIGMA/W基于小应变理论的计算原理如公式（4）所示。

式中：[K]为系统刚度或特殊矩阵；{Δd}为增量位移；{ΔF}为增量力。

2.2 面板堆石坝施工过程模拟

根据邓肯模型，不同主应力条件下对应不同的弹性模量，应力计算前需要确定加载前初始应力状态，且不同高层填筑料的加载有不同的影响。相比于实际施工中每层填筑料填筑完成后顶面形成的“自由面”，有限元分析中填筑层的顶部存在应力和应变，因此必须考虑在每层填筑结束时对该填筑层的顶部应力、应变进行调整。

面板堆石坝填筑过程中，通常采用薄层分层填筑后碾压。该工程通过填筑碾压试验，主堆石区和次堆石区每层填筑厚度控制在40 cm。在仿真模拟中，模仿实际施工过程，首先加载单层挤压边墙作为边界条件，然后加载40 cm填坝料，坝体填筑分150次逐层加载。为简化计算，软件加载5层为一步，分30步进行逐层加载至60 m坝顶高程，每层加载的填坝料为碾压后的密度及弹性模量，计算荷载包括挤压边墙及填筑料自重，上下游按无水考虑。仿真模拟采用分级逐步加载的方式，尽可能地还原真实的施工场景。

2.3 计算模型及参数

根据实际工程概况建立面板堆石坝有限元模型，模型X轴为顺河向，指向下游为正，从左往右依次为趾板、垫层区、过渡区、主堆石区以及次堆石区。Y轴为高程，向上为正，从下向上依次为覆盖层、主堆石区、过渡区、垫层区。堆石坝各分区堆石料邓肯E−Β模型参数见表1，混凝土结构采用线弹性模型，计算参数见表2。

表1 堆石体Duncan-chang E-B模型参数

表2 混凝土结构模型参数

坝体最大坝高60m，坝顶宽度10m，垫层料及过渡料水平长度为3m，挤压边墙高度为0.4m，挤压边墙迎水面坡度为1∶1.4，下游坡度为8∶1。

模型选择最大坝高剖面进行计算，剖面划分网格总数为44568个，采用四边形网格和少量多边形网格。坝体有限元计算的边界条件为限制覆盖层底面XY方向的约束以及覆盖层两侧X轴方向上的约束，坝料填筑每层填筑料之间定义为接触面，此后每层填筑料逐次加载至该层设计高程。

2.4 计算工况分析

因挤压边墙破坏包括胀裂、挤压破坏以及低强破坏等情况，比较复杂，挤压边墙在完全破碎的情况下，会成为垫层料的一部分，失去边墙混凝土原有的弹性模量，可以假定挤压边墙在未完全破坏的情况下，剩余一半的弹性模量，并分别通过以下的工况进行计算：1）工况1。挤压边墙未发生破坏，坝体顺利完成填筑。2）工况2。大坝填筑到第10层（4m高程）时，趾板上方第1～5层挤压边墙破坏，并在已破坏的情况下，坝体继续填筑到坝顶高程。

工况1作为工况2的对比，工况2根据最不利情况计算原则，选择1～5层挤压边墙破坏进行模拟，与上层的挤压边墙相比，底层边墙承受更大的压应力以及水平方向的推力，更容易遭到破坏。

3 数值模拟结果与分析

3.1 坝体整体变形计算模拟成果与分析

大坝填筑完成后整体模拟计算结果见表3。

表3 坝体应力及位移计算成果

大坝填筑完成后，根据《混凝土面板堆石坝挤压边墙技术规范DLT 5297—2013》，坝体沉降会产生上游坡面的盈亏现象，挤压边墙施工放线，可以按照设计提供的坝体某一高程可能发生的变形量修正坡面盈亏值，设计未提供盈亏修正的可参照同类型工程予以经验修正。在面板施工前，例如公伯峡坝体上游坡面监测产生盈亏为-30 mm～+50 mm；积石峡电站上游坡面监测结果盈亏为-40 mm～+40 mm。对比该项目大坝上游面在挤压边墙未破坏的情况最大盈亏为46 mm，在挤压边墙破坏的情况下上游面最大盈亏为46.1 mm，可知挤压边墙破坏对坝体上游面盈亏影响不明显；边墙破坏对坝体最大沉降量及坝体内部最大总应力影响不明显。

3.2 挤压边墙破坏处变形计算模拟结果与分析

采用邓肯E−Β模型对面板堆石坝施工期坝体填筑进行有限元分析计算，计算整理所得成果如图1～图3所示。挤压边墙破坏层附近垫层料位移及应力计算成果见表4。

图1 坝体填筑完成水平方向位移图

由图1和图2可以看出，挤压边墙破坏处局部垫层料向上游面水平位移增加，沉降量增大，已破损挤压边墙底部垫层料沉降量减少；将工况1与工况2进行对比，挤压边墙破坏对面板堆石坝填筑料整体水平位移及坝体沉降量影响不大。

图2 坝体填筑完成后坝体沉降图

由图3可以看出，挤压边墙破坏处，垫层料受力增大且应力分布不均匀；将工况1与工况2进行对比，挤压边墙破坏对面板堆石坝填筑料总应力影响不大。

图3 坝体填筑完成后最大总应力图

由表4可知，面板堆石坝施工期坝体填筑期间，在挤压边墙破坏的情况下，破坏部分挤压边墙附近的垫层料有向上游移动的趋势，并且局部垫层料及下层垫层料总应力变大，边墙破坏部位局部垫层料的总应力是未破坏时应力的2倍，但仍低于卸荷模量1860 kPa；挤压边墙破坏层垫层料向上游面最大位移为1.602 cm，低于上游面最大位移4.6 cm，且在规范规定的上游坡面盈亏范围内；破坏层的沉降量变化不明显。而挤压边墙破坏层上层垫层料的最大总应力变小，且随着坝体填筑高度的升高有持续变小的趋势。

表4 挤压边墙破坏层附近垫层料位移及应力计算成果

由局部垫层料位移及应力变化得出，挤压边墙与垫层料之间的相互作用比较复杂，挤压边墙的弹性模量大于垫层料，在挤压边墙完整的情况下，相当于一个柔性的薄层结构铺设于坝体的上游面，对上游坡面产生的压力有利于上游坡面的稳定。挤压边墙与垫层料之间的相互作用比较复杂，当某个部位的挤压边墙破坏后，对边墙整体结构的应力分布造成影响，导致上游坡面垫层料应力分布不均匀。其次，挤压边墙作为连续接触的刚性结构，在坝体上游面填筑料出现沉降的情况下，挤压边墙之间呈现出拱的支撑效应，因此未破坏的挤压边墙踵端与垫层料接触的地方出现应力减少的情况。

对已破坏挤压边墙上、下层边墙附近垫层料进行应力分析可知，挤压边墙破坏后，上层边墙附近的垫层料总应力减少，下层垫层料总应力变大，初步分析为挤压边墙破坏后，边墙破坏层附近的填筑料横向位移增大，纵向位移减少，沉降量减少，水平位移量增大。上层边墙附近的填筑料有往破坏边墙移动的趋势。因此挤压边墙破坏后，对上层边墙附近的填筑料不利，但对已破坏边墙附近的垫层料及下层垫层料具有压实作用，因此破坏后可能会造成已破坏边墙上层附近垫层料应力减小，沉降量变大，导致已破坏边墙上层边墙附近垫层料不密实，甚至造成边墙后脱空现象。

4 挤压边墙修复技术

低面板堆石坝施工期挤压边墙破损对填筑质量的影响不大，但是会导致上游坡面垫层料的位移及应力分布不均匀，进而影响混凝土面板施工的质量及后期坝体蓄水后的渗流稳定行。因此一旦出现挤压边墙破坏的现象，需要及时进行安全监测，如果上游面出现较大的盈亏，就要立刻进行边墙拆除、坡面碾压和边墙修补。

首先要对破碎的挤压边墙进行拆除，应采用人工凿除或小型机械等措施，凿除范围包括挤压边墙破损部位以及上层挤压边墙；边墙拆除后采用小型坡面碾压设备，对上游坡面垫层料进行二次碾压，通过碾压后的质量推断是否需要继续拆除上层边墙进行修复；确保上游坡面垫层料应力满足设计要求后，采用相同型号的预制混凝土挤压边墙放入拆除的部位，与原挤压边墙接触面凿毛处理，采用相同型号的水泥砂浆固结；施工过程要确保修复后的挤压边墙水平方向、坡面方向与坝面整体一致；最后进行挤压边墙后的灌浆处理，须采用粒径较大的豆砾石混凝土进行灌浆，灌浆压力不应大于1 kPa。

5 结论

综上所述，得出以下3个结论：1）对低面板堆石坝，挤压边墙局部破坏对坝体填筑质量影响不大，对最终坝体沉降量、最大应力及上、下游坡面最大位移影响不大。2）挤压边墙作为一种柔性的薄层结构，整体结构在保持稳定的情况下，有利于上游坡面垫层料的位移及应力分布均匀；如果局部出现损坏，整体结构受到影响，会导致上游坡面垫层料位移及应力分布不均匀，影响后期混凝土面板的施工质量。3）如果挤压边墙破碎部位出现较大位移要及时进行修补，同时需要对破损部位周边的填筑料进行质量检测，对不合格的填筑料进行二次碾压。