东庄拱坝基础加固措施效果分析

杨军义 邢建营 聂章博 王惠芹

摘 要：拱坝基础加固是保证坝肩稳定和拱坝安全的重要工程措施，以东庄拱坝坝基加固措施为研究对象，系统模拟坝肩岩体中断层、夹泥裂隙、宽大裂隙和相应的加固措施，采用弹塑性本构对其坝基加固效果进行了有限元分析。计算结果表明：基础加固措施对坝体位移和应力的最大值影响很小，但在一定程度上使坝体以及建基面的屈服区减小，改善了坝体受力；基础加固措施对拱坝坝体的塑性区影响不大，但是基础加固后建基面屈服区明显减小，基础加固措施明显改善了坝基的受力状态，基础加固措施对于断层ｆ５ 和夹泥裂隙Ｒｎｊ３ 的屈服区体积影响相对较小，对于宽大裂隙Ｌ２２ 的屈服区体积影响较为显著。东庄拱坝基础加固措施改善了坝体和坝基受力、提高了坝基的稳定性。

关键词：混凝土拱坝；基础加固；弹塑性本构；东庄拱坝

中图分类号：ＴＶ６４２．４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２８

引用格式：杨军义，邢建营，聂章博，等．东庄拱坝基础加固措施效果分析［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（３）：１５６－１６０．

０ 引言

拱坝是一种坝体与基础联合承载的空间壳体水工建筑物，行业内一直高度重视拱坝的基础加固处理。《混凝土拱坝设计规范》（ＳＬ ２８２—２０１８）中明确指出“坝基处理设计应根据坝址地基条件和基岩物理力学性质，通过拱坝应力分析和稳定分析，并考虑相邻建筑物的布置、施工技术等因素，选择安全、经济和有效的处理方案”。特高拱坝基础如果分布有复杂断层、软弱带等不利结构面，易削弱地基完整性，引起基础非协调变形，并造成高拱坝局部开裂或失稳［１］ 。二滩拱坝左岸局部坝段的基础存在未完全处理的软弱带岩体，运行期非协调变形导致坝体局部开裂［２］ 。Ｋｏｌｎｂｒｅｉｎ拱坝坝基附近存在软弱破碎带，前期未充分考虑相应的工程措施，蓄水后坝踵出现开裂，后期对拱坝坝体和软弱破碎带进行了系统处理［３］ 。目前，坝肩结构面加固处理效果分析的方法主要有刚体极限平衡分析法、地质力学模型试验法和数值计算法等。刚体极限平衡分析法主要用于分析坝肩结构面对坝肩稳定性的影响。地质力学模型试验法一定程度上能够模拟坝肩复杂结构面及其加固措施，可直观研究基础变形、超载开裂、破坏全过程［４］ 。在数值计算方面，结构面模拟主要基于理想弹塑性有限元理论，采取参数弱化的实体单元进行拱坝坝体和坝基弹塑性分析，该方法目前已用于国内外多座高拱坝稳定性评价与基础加固效果分析［５－７］ 。

陕西省东庄水利枢纽工程坝址位于泾河干流最后一个峡谷段出口以上２９ ｋｍ 处，其左岸为陕西省淳化县车坞镇，右岸为陕西省礼泉县叱干镇。该工程是国家１７２ 项节水供水重大水利工程之一，是黄河水沙调控体系中的重要支流水库，是黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施以来第一座开工建设的大型节点水库。工程控制流域面积４．３２ 万ｋｍ２，最大坝高２３０ ｍ，总库容３２．７６ 亿ｍ３，开发任务以防洪减淤为主，兼顾供水、发电及改善生态等综合利用。枢纽由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和引水发电建筑物等组成。

东庄水利枢纽工程场地处于鄂尔多斯地块南缘，属于区域稳定性较好的工程场地，坝址河谷窄深，基岩裸露，岩性为奥陶系中统马家沟组（Ｏ２ｍ）厚层巨厚层灰岩，岩层走向ＮＷＷ，产状１９０°～２１０°∠３０°～５５°，地质构造简单，岩石强度高，岩石风化卸荷深度较浅，岩体质量以Ⅱ类为主。尽管坝址区无较大型断层、褶皱等构造发育，但左坝肩沿建基面发育Ｌｎｊ１ 夹泥裂隙，右坝肩分布有ｆ５ 断层、Ｒｎｊ１、Ｒｎｊ２、Ｒｎｊ３ 夹泥裂隙和Ｌ２２ 宽大裂隙。水库蓄水后坝体将上游水沙荷载传递到建基面，左岸建基岩体可能发生压剪变形，根据坝肩稳定性计算结果，ｆ５ 断层和Ｒｎｊ３ 夹泥裂隙作为侧滑面，Ｌ２２ 宽大裂隙作为凌空面，可以组合出不满足抗滑稳定要求的滑动岩体。参考乌东德、白鹤滩、大岗山和锦屏一级等高拱坝坝基处理经验，结合拱坝坝肩稳定性计算结果，对东庄拱坝坝基关键性结构面ｆ５ 断层、Ｒｎｊ３ 夹泥裂隙和Ｌ２２ 宽大裂隙采取了混凝土网格梁置换。上述处理措施的依据是刚体极限平衡法计算结果，为了进一步验证处理措施的合理性，非常有必要采用非线性有限元法从拱坝基础位移、应力均化、屈服區及超载能力等方面进一步分析坝肩关键性结构面加固处理效果，为最终的坝肩结构面处理方案提供支撑。

１．２ 有限元计算模型

计算模型中的坐标系以坝顶拱冠梁上游点为坐标原点，向左岸为Ｘ 轴正方向，向下游为Ｙ 轴正方向，竖直向下为Ｚ 轴正方向。参考国内外同类工程经验，上游模拟范围应不小于１．５ 倍坝高，下游模拟范围应不小于３ 倍坝高，左右两岸模拟范围应不小于２ 倍坝高，坝基模拟深度应不小于１．５ 倍坝高，坝顶高程以上模拟１ 倍坝高以内坝坡。整个模型的模拟范围为９００ ｍ×１ ０５０ ｍ×６７６ ｍ，其中：Ｘ 轴方向－４５０～４５０ ｍ，Ｙ轴方向－３５０～７００ ｍ，Ｚ 轴方向（高程）２２４～９００ ｍ。模型网格采用八节点六面体和六节点五面体单元，网格节点总数为２０３ ２１０，单元总数为１９０ ４３５，其中坝体单元总数为１０ ５０４。整体有限元计算模型网格如图１ 所示。

对于断层的模拟，左岸主要模拟了Ｌｎｊ１，右岸模拟了Ｒｎｊ１、Ｒｎｊ２、Ｒｎｊ３、ｆ５、ｆ５６ 和Ｌ２２，各结构面与坝体的空间位置关系如图２ 所示。断层的有限元网格及其与坝体网格的位置关系如图３～图５ 所示。

２ 计算荷载及参数

２．１ 计算荷载及其施加方法

计算荷载包括地应力、坝体自重、水荷载、泥沙荷载、温度荷载和渗流荷载。地应力只考虑岩体自重引起的地应力场。坝体自重的施加按照封拱灌浆时间依次激活各层坝体单元实现。水荷载为正常蓄水位（７８９ ｍ）工况下相应的荷载，以面力的形式施加到上游坝面上，泾河为多沙河流，正常蓄水位工况下相应的浑水容重为１３．８ ｋＮ／ ｍ３。泥沙荷载也是正常蓄水位工况下淤沙高程（７２５ ｍ）相应的荷载，淤沙浮容重为１０ ｋＮ／ ｍ３，淤沙内摩擦角为１６°，泥沙荷载的施加方式同水荷载的。按照《混凝土拱坝设计规范》要求，温度荷载只需要模拟平均温差和等效线性温差，温度荷载沿坝厚度方向进行线性插值。本次计算选择基本工况为上游正常蓄水位＋坝体自重＋泥沙＋下游水位＋设计温降。

２．２ 材料参数

根据现场原位试验结果，坝基岩体结构面力学参数见表１，根据混凝土配合比试验结果，坝体、垫座和抗剪洞力学参数见表２。

３ 基础加固措施效果评价方法

拱坝主要通过坝体将承受的荷载传递给两岸基础岩体，由于坝基、拱肩槽和下游抗力体出现了多个相互交错的断层和夹泥裂隙，因此岩体的力学参数有一定程度的降低，特别是岩体的变形模量和承载能力的减小，对大坝的变形、应力和坝肩岩体的抗滑稳定均有不利影响。对基础采取置换处理的加固措施，对软弱结构面的置换能够使坝肩稳定，不过仍需考虑基础处理对坝体变形、坝体应力、拱坝超载能力和基础变形的影响。通过对比采取基础加固措施后上述指标的改善情况来进行加固效果的评价。关于拱坝超载能力的评价方式有强度储备系数法和超载法两种［８］ 。从降低岩体力学参数ｃ 和φ 的方式上，强度储备系数法又分为等比例降强和不等比例降强。国内外试验成果表明，φ 值比较稳定，变化的幅度较小，而ｃ 值受外界多种因素的影响较大，比较不稳定，变化的幅度较大，因此把ｃ 和φ 按照等比例降低明显不符合实际，然而采用不等比例降低强度虽然更符合实际，但是ｃ 和φ 究竟按照何种比例降低是一个值得商榷的问题。超载法包括三角形超载法和矩形超载法，国内学者通过论证后认为三角形超载更加合理［９］ ，因此本研究采用三角形超载法进行拱坝超载能力计算。

４ 计算结果分析

４．１ 加固措施对坝体位移的影响分析

东庄拱坝加固和不加固方案正常工况大坝下游坝面位移情况见表３。根据位移计算结果可知，采取和不采取基础处理措施，坝体位移分布的规律相同。基础处理措施使大坝横河向、顺河向位移减小，但减小的幅度不大，并且顺河向位移减小的幅度大于横河向位移的。采取基础处理措施时，左拱端顺河向位移和横河向位移未发生变化，原因是基础处理措施全部位于右岸。右拱端顺河向位移最大减小值为０．１ ｍｍ，横河向位移最大减小值为０．１ ｍｍ。拱冠顺河向位移最大减少值为０．１ ｍｍ，横河向位移未减小。４．２ 加固措施对坝体应力的影响分析东庄拱坝加固和不加固方案正常工况坝体应力最大值及其分布见表４。

由计算结果可知，东庄拱坝基础处理措施使得坝体应力有所改善，但其对坝体应力的最大值影响很小。基础处理后，坝基的变形减小，对坝体约束增强，使得基础处理后下游坝面主压应力略微增大，由１２．９２ ＭＰａ 增大到１２．９３ ＭＰａ。４．３ 加固措施对坝基屈服状态的影响分析东庄拱坝基础采取加固措施后正常工况以及各超载工况下建基面的屈服区如图６ 所示。根据计算结果可知：基础采取加固措施后，东庄拱坝建基面（坝体）屈服区略有减少，建基面（坝基）的屈服区在高倍超载情况下明显减小，这表明基础加固措施改善了坝基的受力状态。

４．４ 加固措施对整体稳定性的影响

东庄拱坝基础不采取加固措施和采取加固措施两种方案下，超载过程中的坝体和坝基屈服区体积见表５，超载过程中断层ｆ５、夹泥裂隙Ｒｎｊ３ 和宽大裂隙Ｌ２２屈服区体积见表６。

由计算结果可知：基础处理后，各超载工况下坝基屈服区体积也略有减少，坝体屈服区体积在超载时略有减小。基础处理措施对于断层ｆ５ 和夹泥裂隙Ｒｎｊ３的屈服区体积影响较小，对于宽大裂隙Ｌ２２ 的屈服区体积影响较显著。正常工况下， ｆ５ 屈服区体积从１ ９０３ ｍ３降低到１ ８７７ ｍ３，仅降低了１．４％；Ｒｎｊ３ 屈服区体积从２ ０４３ ｍ３ 降低到１ ７５１ ｍ３，降低了１４．３％；Ｌ２２ 屈服区体积从１ ２７８ ｍ３ 降低到２３５ ｍ３，降低了８１．６％。３．５ 倍超载下，ｆ５ 屈服区体积从３ ３９０ ｍ３降低到３ ０３８ ｍ３， 降低了１０． ４％； Ｒｎｊ３ 屈服区体积从３ ４３４ ｍ３降低到３ ３７９ ｍ３，仅降低了１．６％；Ｌ２２ 屈服区体积从３ ０３９ ｍ３降低到２ ２５１ ｍ３，降低了２５．９％。其余超载倍数各结构面的屈服区体积也有所降低。综上所述，基础处理措施降低了断层ｆ５、夹泥裂隙Ｒｎｊ３ 和宽大裂隙Ｌ２２ 的屈服区体积，提高了坝基的稳定性，表明基础处理措施是比较有效的。

５ 结束语

正常工况下，基础加固处理措施对坝体位移和应力的最大值影响很小，但在一定程度上使坝体以及建基面的屈服区减少，改善了坝体受力。超载法分析基础加固前后拱坝塑性区的变化情况表明，基础加固措施对拱坝坝体的塑性区影响不大，但在高倍超载情况下，基础加固后的建基面屈服区明显减小，这表明基础加固措施明显改善了坝基的受力状态。基础加固措施对于断层ｆ５ 和夹泥裂隙Ｒｎｊ３ 的屈服區体积影响相对较小，对于宽大裂隙Ｌ２２ 的屈服区体积影响较为显著。综合上述计算分析结果，东庄拱坝基础加固措施改善了坝体和坝基受力，提高了坝基的稳定性，因此采取的基础加固措施是比较有效的。

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【责任编辑 张 帅】