’９８汛期二期圍堰防滲墻應力和變形

劉松濤　包承綱

摘 要 對1998年汛期三峽工程二期圍堰內基坑抽水對堰體和防滲墻的應力應變進行了分析研究。結果表明，墻體變形規律正常并且與現場實測值較接近，墻體應力和應力水平在安全范圍之內，墻體和堰體是穩定、安全的。

關鍵詞 三峽工程 二期圍堰 防滲墻 應力應變 應力水平 汛期

1、前言

三峽工程二期圍堰及其防滲墻應力一應變的研究自1985年以來，由長江科學院牽頭，會同國內土石壩工程研究中有豐富經驗的研究院、高校，如南京水科院、中國科學院、清華大學、河海大學、武漢水電大學、成都科技大學、中科院武漢巖土所和廣東水科院等單位，曾作過比較深入的研究論證。經歷了初步設計、“七五”攻關優化設計、“八五”攻關和技術設計等階段的分析研究，歷時10年，為圍堰的技術設計提供了重要科學依據。

長江于1997年11月截流以來，二期圍堰正在填筑，并要求在汛前填筑成擋水高程83.5m。同時為保證三峽工程建設的進度，于1998年6月25日已開始進行限制性抽水。1998年汛期圍堰施工和基坑抽水階段，發現上游墻變位實測值比原來計算得到的墻體變位要大。為此我們認真研究了圍堰的現場觀測資料，了解圍堰的竣工斷面與設計斷面有差異，填料的分布及密度與原計算有差異，加上施工過程與原設計設定的情況也有差異，這都是造成墻體變位較大的原因。在本次計算中，根據實際竣工斷面和墻體變位實測值及施工實際情況，調整了參數及計算條件。研究表明，按此算得的變位與實測值較相近，而且墻體和堰體也是安全的。

2、分析方法和計算條件

2.1分析方法

分析方法仍采用“七五”和“八五”攻關中常用的二維非線性彈性有限元分析方法，圍堰填料的本構模型仍采用國內外廣泛應用的Duncan模型，并根據三峽工程圍堰填料的特性，主要采用E 模型。其公式可參見文獻①②②。

圍堰防滲墻與堰體之間的接觸面，仍采用無厚度的Goodmun一維接觸面單元①②。

2.2施工設計斷面

由于堰址河床水下地形沖淤變化和施工條件的改變以及各種相關因素的變化，根據現場實際情況變更的施工設計斷面結構，與技術設計推薦的斷面相比已有較大的改變。特別是因施工水深太大，最大水深達60m，為遏制截流戧堤堤頭坍滑的規模和頻率、避免堤頭坍滑事故的發生，長江委設計院特地在河床深槽段采用砂礫石水下平拋墊底至高程40m(圖1)。這一設計的優化，不僅減少截流戰堤進占拋投水深、保證截流施工安全、降低了截流龍口進占拋投強度，而且在40m高程以下的填料用平拋墊底的砂礫石料代替原設計的風化砂料對改善防滲墻的應力應變狀態也是有利的。

圖1 三峽工程二期上游圍堰施工設計斷面

圖2堰體水平位移等值線(m)

圖3堰體垂直位移等值線(m)

2.3竣工斷面及參數

計算中采用的填料參數是否符合現場實際，則關系到計算成果與現場實際成果是否相符合的問題，是至關重要的。因圍堰的實際竣工斷面和填料與原施工設計斷面及填料有差異，使得原防滲墻計算的變位值比實測值小些。例如依據平拋墊底現場實際檢測資料，其高程并未達到設計的40m高程，一般在730m～V35m之間，表明水下拋填風化砂層厚增加了5m～10m；防滲墻周圍風化砂經振沖加密后檢測其干密度可達1.8t/m³，振密區影響范圍為20m，影響深度為30m，而30m以下的風化砂密度較低，約為1.72t/m³；其二，河床復蓋層料，原來是沒有試驗資料的，參數是采用有關工程的類比參數，不一定完全符合實際；其三，以前計算時，上、下游墻均取塑性混凝土28天齡期參數。

實際上，上游墻于1998.5.5封閉，下游墻于1998.8.6封閉。二者相差3個月，故本次計算根據現場實際情況上、下游墻塑性混凝土分別取90天和28天齡期參數。另外，淤砂于密度，以前計算采用試驗建議值，本次按最不利條件考慮，取干密度為1.40t/m³。總之，本次計算是根據實際的竣工斷面填料的分布和密度，以及墻體實測變位值和現場施工實際情況，調整參數和計算條件，然后再進行分析的。

2.4研究內容

研究內容一方面要找出墻體變位大的原因，同時要回答墻體變位較大情況下，基坑可否繼續抽水?其對墻體的應力變形有多大影響?對墻體和堰體的安全影響如何?因而重點了解上游墻封閉后汛期上游水位上升的基坑抽水階段，墻體受到不同載荷組合和作用，各種工況下墻體的應力應變狀態；當下游墻封閉后，上、下游墻聯合作用在各種不同水荷載組合的作用下，兩墻的應力和變形狀態。

計算中分級加載的步驟應完全符合圍堰實際的施工加載過程，因不同的加載過程反映不同的應力路徑，將影響到堰體和墻體的應力應變狀態。本次計算基本上是按圍堰實際施工過程進行模擬的，尤其是水荷載的施加是按堰址汛期江水位的升降和基坑抽水情況進行模擬，兩墻間水位則是根據測壓管實測水位取值。只有這樣進行仿真模擬，才能使計算成果更接近實際。

3、研究成果及分析

上游墻實測變位為什么比原來計算值大?研究表明，其原因是：①圍堰竣工斷面與施工設計斷面有差異，即填料的分布及密度以及參數和計算條件的差異；②上游墻在承擔水頭情況下，在下游墻部位開槽，槽孔成“臨空面”，使上游墻失去了部分支撐體；②經歷多次洪峰襲擊，加上基坑持續抽水等不利工況的影響；④堰體上重型機械來回奔跑等，在下游墻封閉前，上游墻已產生較大變形。按調整的參數和計算條件得到的墻體變位與實測值相近，而且墻體和堰體也是安全的。

現將參數和計算條件調整后計算的成果介紹如下：

3.1堰體的位移和應力

在正常蓄水位85m和基坑水已抽干情況下，堰體的水平位移和垂直位移等值線分別繪于圖2和圖3。堰體在水庫壓力作用下，其變形趨勢主要向下游，其變形規律是合理的。堰體累計最大水平位移和沉降分別為2.5cm和161.0cm，均發生在2/3堰高處。堰體大小主應力。l和03的最大值分別為1.33MPa和0.53MPa，均發生在下游堰體下部靠近下游墻的部位，與一般土石壩應力分布規律是一致的。堰體應力水平基本上小于1.0，只是在上游墻前有一個小區域的應力水平達到1.0。因它屬于土顆粒散體，而且位于堆石體和防滲墻之間，故它無礙堰體的穩定性。

3.2防滲墻的位移和應力

在計算中比較詳細地模擬了上游水位在汛期的升、降過程和基坑抽水過程。例如，上游水位由▽69m上升至▽73m～▽76m，后又降至73m，最后又按設計水位升至▽80m～▽85m，基坑水位則由▽60m逐步抽水下降至▽0.00m，反映在不同水荷載作用下墻體的應力和變位。當上游墻單墻承擔水頭時，上游水位為▽76m，基坑抽水至▽50m和▽45m時，墻體最大水平位移分別為54.5cm和49.7cm，表明墻體變位隨著水頭的增加而增大。當子堤后面填土至▽78.5m時，墻體變位又減小到48.0cm，表明子堤后填土可抑制和減小墻體變位。當基坑繼續抽水至▽40m時，墻體變位又增加到49.4cm；后來兩墻承擔水頭，并依據現場上游水位情況，將上游水位降至▽73.0m時，基坑水位抽至▽30m，墻間水位為實測的▽55m，計算得到的上游變位為53.7cm，相對應的1998年9月15日上游墻的實測變位值為55.2cm(上游水位▽72.0m，墻間水位▽55.0m，基坑水位▽26.0m)，表明在相近的水頭下，計算與實測值是比較接近的。圖4繪出了計算與實測墻體變位的比較。曲線可分三段。高程15m以下，計算和實測值墻體變位的增量和規律性均較為接近；▽15m～▽40m這段曲線，計算值較實測值大些，這可能與▽35m以下為平拋墊底砂料的實際填料參數比計算采用的填料參數要好，因而實測值要小些；▽40m～▽70m這段曲線，墻體變位規律和數值，計算值和實測值還是比較接近的。即計算得到的墻體變位，基本上反映了墻體的實際變形性狀。

表1列出了兩墻承擔的水頭時各種工況計算結果。由表可知，墻體位移和應力均隨著水頭的增大而增加；上游墻位移比下游墻位移大得多，原因前已敘述。兩墻的最大主應力相差不大，說明兩墻所承擔的荷載比較均勻，上游墻承擔荷載稍大一些，這是優化設計采用了先施工上墻后施工下墻方案，對改善墻體應力是有利的。

當圍堰擋水達到設計正常蓄水位高程V85m時，墻間水位在▽28～▽57m之間變化，基坑抽水至▽10m和▽0.0m時，計算上游墻的最大變位為66.6m至67.4cm，下游墻變位約為17.1cm至18.2cm。

由墻體應力和應力水平分布曲線圖5和圖6看，最大應力均發生在墻端基巖面附近的單元內，墻體應力均較小，最大主應力約為3.14MPa至5.28MPa。在深槽段墻體鉆孔取樣試驗資料表明，其墻體材料的無側限抗壓強度可達到4.62MPa～11.2MPa，表明墻體應力在強度范圍之內。若考慮在圍壓條件下強度還要大些，故其安全余度也大些。而且塑性混凝土材料隨著時間的推移，其強度隨著齡期的增長而增加，比彈模隨齡期增長要快而大，這對墻體的安全是有利的。墻體應力水平一般均在0.8以下，小于1.0，只是在墻端部有l～2個單元的應力水平達到1.0，這是由于該處彎矩的拉應力較大引起的，但它不是連續的(1.0m厚墻體分為0.3m、0.4m和0.3m三排單位)，亦即不會造成貫穿墻體的破壞，對墻的穩定和安全不會造成危害。

圖4 墻體變位計算與實測比較

——上游面單元

——下游面單元

圖5 上游墻體豎向應力6v(MPa)

圖6 上游墻體應力水平

4、結論與建議

通過對三峽工程二期上游園堰1998年汛期基坑抽水階段各種工況下的計算分析，有以下認識：

(1)計算表明，調整參數后計算的墻體變位值與實測值在變形規律和數值上基本上是相似的；在設計正常蓄水位V85.0m下，上游墻的最大變位將達到67.4cm；應力基本上在墻體實測強度范圍之內；墻體應力水平小于1.0，只在墻端個別單元的應力水平達到1.0，對墻體穩定和安全不會造成危害。表明在1998年汛期基坑抽水階段，墻體變形正常，墻體和堰體是穩定、安全的；

(2)本計算只是根據現場作了一些填料參數的調整，其成果只是初步的成果。有些問題尚來不及認真研究，如兩墻間的隔墻及墻體內預留監測鋼管等對墻體應力變形的影響應在三維分析中加以考慮；

(3)還應加強對圍堰堰體和防滲墻的監測，以確保圍堰的安全運行。

參考文獻

1、 Duncan I M，Chang C Y.Nonlinear Analysis of Stress andStrain in Soils.Proc.ASC遼，1970，96(5)

2、 沈珠江、劉松濤.三峽二期高土石圍堰應力應變分析研究. 人民長江，1996(10)

3、劉松濤.三峽深水圍堰堰體與防滲墻聯合作用研究.長江 科學院院報，1997(1)