將軍廟水庫混凝土面板砂礫壩靜力特性分析

徐向東，蘇 凱，陳怡菡

(1. 新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2. 武漢大學海綿城市建設水系統科學湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072)

1985年開工建設的西北口面板堆石壩(壩高95 m)開啟了中國現代混凝土面板堆石壩的建設篇章[1-2]，經過40多年的發展，混凝土面板堆石壩已經充分展示了其在安全性、經濟性和良好的適應性等方面的優越性，表現出來了極強的競爭性，建壩數量和建壩高度都取得了快速發展，全世界已建的面板堆石壩接近400座，其中國內已建和在建的100 m級高面板壩近40座，并有多座200 m級面板壩[2-3]。混凝土面板堆石壩的主要工程問題是壩體變形過大引起面板接縫變形過大而導致止水結構破壞，或壩體變形過大引起混凝土面板開裂或者破壞，變形問題特別是對面板及其接縫位移的控制是面板壩設計的主要技術問題之一[4-6]。對不同工況下壩體變形特性及變形控制措施進行研究，使面板接縫變形值以及混凝土面板應力在允許范圍內，是面板堆石壩成敗的關鍵[2,3,7,8]。

數值模擬是面板壩應力變形研究的主要手段之一，近30年來，我國在面板壩數值模擬方面開展了大量的研究工作，在壩體本構模型、接觸面模擬、計算參數、壩料流變特性和壩料濕化特性、壩體后期變形等方面取得了較為豐富的研究成果[9-17]。隨著天生橋1級、洪家渡、水布埡、紫坪鋪、吉林臺一級等面板壩建成運行，人們的認識水平有了進一步發展，以往研究中存在的問題和解決的思路也逐漸清晰[15,18-23]。堆石料的變形特性很復雜，壩體結構設計、壩料特性、級配特征、填筑密度、施工順序等都對壩體的應力變形特性產生巨大影響，而新疆地區由于受限于當地的工程建筑材料，更多的選用了砂礫石作為主要筑壩材料[24-26]，壩體的應力變形特性體現了不同于普通堆石料筑壩材料的特性。本文針對這一問題，結合新疆將軍廟水庫工程實際，依次介紹了工程基本情況、壩基處理措施、筑壩材料特性等，并建立了對應的數值計算模型，討論了竣工期和蓄水期間壩體的受力變形、面板的變形與接縫的張開等情況，論證了工程初步設計方案的可行，以期為同類工程提供參考。

1 工程背景

1.1 樞紐整體規劃與布置

將軍廟水庫是新疆奎屯河引水工程的重要組成部分，奎屯河引水工程位于新疆天山北坡中部，準噶爾盆地西南緣，奎屯市、烏蘇市和克拉瑪依市獨山子區境內，奎屯河流域上游。由奎屯市、烏蘇市、克拉瑪依市獨山子區所組成的三角區域，被經濟學家譽為新疆經濟發展的“金三角”地區，是新疆維吾爾自治區西部大開發戰略規劃的天山北坡經濟帶三個區域經濟中心之一，是新疆最具有發展潛力、重點扶持、率先發展的地區。奎屯河是金三角地區的最主要的水源，奎屯河引水工程直接向農七師、奎屯市、烏蘇市、獨山子區供水，安全可靠的供水是“金三角”地區經濟持續快速發展的重要因素之一(見圖1)。

圖1 將軍廟水庫樞紐布置圖

1.2 大壩體型設計

將軍廟水庫大壩受限于當地工程建設材料，選用了鋼筋砼面板砂礫石壩[24,26-27]，壩頂高程為1 446.5 m，防浪墻頂高程1 447.7 m，最大壩高133.0 m，壩頂長600 m，壩頂寬10 m，設有4.7 m高“L”型鋼筋砼防浪墻，上游壩坡為1∶1.7，下游壩坡采用1∶1.7與1∶1.5結合(兩級馬道以上坡度為1∶1.7兩級馬道以下坡度1∶1.5)，為滿足施工及運行期的觀測巡視要求，在下游坡設4級“之”字形上壩道路，路寬10 m，坡度8%，采用混凝土路面，最大斷面下游平均坡度約為1∶1.95。為提高壩體的抗震穩定性，下游采取必要的處理措施，下游護坡自壩頂以下2級馬道間采用砼網格加伸入壩體的土工格柵25 m/10 m間隔布置，格柵層距1.6 m。漿砌石護坡厚0.4 m，下游其余壩坡均為厚度0.3 m的漿砌石護坡。下游壩坡在1 342.0 m高程以下設置拋石區，頂寬為3.0 m。邊坡1∶2.0采用超徑石填筑。

壩體堆石從上游向下游依次分為墊層區、壩殼砂礫料區、排水體區、開挖利用料區、拋石區。另外在面板迎水面底部設有上游粘土鋪蓋區和拋石蓋重區。混凝土面板砼采用C30F300W12，厚度0.4～0.85 m，單層雙向鋼筋。河床部位受壓區面板寬16 m共17塊，岸坡部位受拉區面板寬8 m，左岸8塊，右岸13塊，為適應變形古河槽部位面板寬8 m，共16塊。大壩典型剖面圖如圖2所示。

1.3 壩基處理

左壩肩處理：①趾板及墊層基礎，將表面覆蓋層全部挖除并開挖至基巖弱風化上部巖石上。趾板上游側巖石開挖永久邊坡采用1∶0.75，臨時邊坡1∶0.5，下游側開挖邊坡1∶1.5。②壩體基礎，壩體范圍內全部清除兩岸卵礫石層、坡積碎石土層等覆蓋層。

河床段處理：①趾板及墊層基礎，將表面覆蓋層全部挖除并開挖至基巖弱風化上部巖石上，巖石開挖永久邊坡采用1∶0.75，臨時邊坡1∶0.5。②壩體基礎，河床段壩基覆蓋層為第四系全新統沖積物厚10～14.0 m，需清除表層5 m松散覆蓋體，經強夯處理后可作為壩體基礎。

右壩肩處理：古河槽處，全部清除古河槽表層約5～10 m的坡積物覆蓋層及下部5 m厚表層沖積物，經基礎強夯后可作為趾板及壩體基礎。此處趾板寬度增加至10 m，趾板端部連接防滲墻深入基巖1 m形成封閉防滲體。防滲墻厚1 m，防滲墻沿軸線每兩米預埋帷幕灌漿導向管。防滲墻采用C35混凝土。經強夯處理后可作為壩體基礎。其余部分趾板及壩體基礎處理與左壩肩同。

圖2 將軍廟水庫混凝土面板壩典型剖面圖

2 計算模型與材料參數

2.1 計算模型

本文采用有限元進行計算分析，其中計算中空間單元采用8結點六面體等參單元，為適應壩體邊界的變化，邊界部分退化為三棱體或四面體單元。坐標系定義為：X為軸向，指向右岸為正，零點設置在樁號0+0.00剖面處；Y為順河向，指向下游為正，零點為壩軸線0+0.0位置；Z為垂直向，向上為正，以其高程為垂直向坐標值。將軍廟面板壩三維網格剖分如圖3，單元總數250 386個，結點總數253 142個。河床最大剖面0+220.0網格剖分以及右壩肩古河槽最大剖面0+400網格剖分如圖3。

圖3 有限元計算模型圖

2.2 計算方法

應力變形計算采用基于總應力法的非線性有限元方法。其中，堆石料模型采用Duncan E-B模型，Duncan E-B模型能較好地反映堆石料非線性、壓硬性等特點，該模型參數確定簡單，運用方便，所以在我國工程界得到廣泛應用。混凝土結構采用線彈性模型，混凝土與土體之間采用接觸單元模擬其接觸性狀。

巖土工程中廣泛適用的接觸面單元是Goodman單元。Goodman單元概念清晰，接觸面本構模型采用雙曲線模型，在一定程度上能反映接觸面的剪切特性，切向勁度系數可通過直剪試驗簡便得到，參數易確定，因此長期以來得到了廣泛應用。由于接觸面之間往往是粗糙的，因此剪切破壞并不是發生在接觸面上，而多發生在附近土體中，在接觸面附近形成一個剪切錯動帶，這個剪切錯動帶內土體的應力變形性質明顯不同與周圍土體，它代表了接觸面的特性。因此，采用有厚度的薄層單元能避免兩側的相互嵌入，也能更好地反映接觸面變形機理。

本文采用Goodman單元模擬混凝土面板與墊層之間接觸關系，采用薄層單元模擬防滲墻與周圍土體的接觸關系。

面板接縫采用連接單元模擬，其應力與位移的關系表示為

(1)

式中：τyx為接縫連接單元順縫向剪應力；σyy為接縫連接單元張拉方向正應力；τyz為接縫連接單元垂直縫向剪應力；δyx、δyy、δyz分別為周邊縫連接單元在剪切向、張拉向和沉陷三個方向的位移。至于勁度系數kyx、kyy和kyz，根據有關文獻采用表1所示的形式。

表1 連接單元勁度表達式

2.3 仿真計算過程

巖土材料的應力變形特性不僅與其所受的荷載有關，而且與所經受的應力路徑密切相關，因此，在進行壩體應力變形分析時必須嚴格按照設計提供的施工程序(壩體填筑、混凝土面板澆筑、蓄水等過程)進行模擬。大壩施工順序和蓄水過程如下：

第三年4月至10月進行趾板砼澆筑，4月開始大壩砂礫石填筑，5月開始壩體墊層排水料等填筑。第四年5月底壩體臨時斷面填至1 380 m高程，達到百年一遇洪水的壩體高程；面板澆筑至1 374 m。第五年5月底壩體斷面填至1 410.0 m高程，9月底壩體全斷面填至1 446.5 m高程；面板澆筑1 446.5 m。

面板分兩期澆筑，面板一期高程1 374 m，二期澆筑至1 446.5 m。計算時采用逐級加載的方法模擬壩體填筑、面板澆筑等施工工序，水庫蓄水運行過程通過水荷載分級施加進行模擬。填筑、蓄水過程共采用84個荷載級模擬。

2.4 材料參數

本工程對墊層區、主堆石區和次堆石區砂礫料，以及覆蓋層砂卵礫石料開展了大型三軸剪切試驗，計算參數根據室內大型三軸試驗確定。現階段墊層區按相對密度0.9設計，較前期試驗0.85有所提高，參數相應提高，過渡區參數則類比墊層區、主堆石區參數經驗確定。最后采用的參數如表2所示。

混凝土面板、趾板(C30)按線彈性材料考慮，計算參數為：ρ=2.45 g/cm3，E=30 GPa，μ=0.167；防滲墻(C35)計算參數為：ρ=2.45 g/cm3，E=31.5 GPa，μ=0.167。

混凝土面板與墊層之間的接觸面模型參數參考天生橋一期資料確定，具體為：K1=4 800，n=0.56，Rf=0.74，c=0，δ=36°。

表2 將軍廟水庫面板壩靜力計算參數

3 計算結果分析

3.1 壩體應力與變形

竣工期和蓄水期壩0+220剖面順河向變形和沉降計算結果見圖4，可以看出：竣工期，壩體最大上游向和下游向變形分別為17.9、16.9 cm，壩體最大沉降為62.3 cm。蓄水至正常蓄水位，壩體最大上游向變形減小至5.1 cm，最大下游向變形增至19.2 cm，最大沉降增至66.0 cm。蓄水期壩體最大沉降量值約占壩高的0.49%，發生在壩軸線、1 378 m高程(0.5壩高)處。

圖4 壩0+220剖面順河向變形和沉降等值線圖(單位：cm)

從計算結果可以看出：竣工期和蓄水期壩0+220剖面大主應力和小主應力的最大值分別為2.13、0.79、2.29、0.85 MPa，詳見圖5。各階段，壩內的應力水平都不大，大部分在60%以內，局部雖偏高，最大值達到0.8，但低于1，未達到塑性破壞程度，詳見圖6。

圖5 壩0+220剖面大、小主應力等值線圖(單位：MPa)

圖6 壩0+220剖面應力水平等值線圖(單位：%)

3.2 面板應力變形

蓄水期面板的軸向變形和撓度分布如圖7所示，面板內的軸向應力和順坡向應力分布如圖8所示。古河槽引起的拉應力區已用陰影標出，可以看出：壩軸向變形雖總體上表現為由兩岸向河谷中央的擠壓，但受右壩肩古河槽的影響，在古河槽與基巖的交界處軸向變形減少，從而導致在該部位出現較大的拉應力區。同樣在順坡向，由于存在較大的差異沉降，在該部位出現了較大的拉應力區。蓄水期面板指向右岸和指向左岸的軸向變形最大值分別為2.9 cm和2.6 cm，撓度最大值為27.7 cm；面板軸向壓、拉應力最大值分別為6.65、1.36 MPa，順坡向最大壓、拉應力最大值分別為5.03、1.14 MPa，面板應力在混凝土強度允許范圍內，混凝土面板不會發生拉壓破壞。

圖7 蓄水期面板變形等值線圖(單位：cm)

圖8 蓄水期面板應力等值線圖(單位：cm)

3.3 接縫變形

蓄水期防滲墻與連接板之間的接縫處于壓緊狀態，接縫變形以沉陷為主，沉陷值分布如圖9所示。接縫沉陷最大值為34.9 mm。該變位在目前止水結構及材料能夠適應的變形范圍內。蓄水期面板周邊縫的張拉量見圖10，蓄水期周邊縫兩岸坡大部分區域處于張開狀態，最大張開量為22.4 mm，位于壩0+328剖面。蓄水垂直縫的張拉區域與量值見圖11，河谷中央垂直縫處于壓緊狀態，兩岸垂直縫處于張開狀態，最大張開量為10.1 mm，位于壩0+312.0剖面。

圖9 蓄水期連接板與防滲墻相對沉陷變位圖

圖10 蓄水期周邊縫張拉變形圖(張開為正，單位：mm)

圖11 蓄水期豎縫張開變形圖(張開為正，單位：mm)

4 結 語

基于三維靜力有限元法靜力分析結果，得到的主要結論如下：

1)竣工期、蓄水期壩體最大沉降分別為70.3、72.8 cm。壩體最大沉降量值約占壩高的0.55%，右壩肩古河槽處竣工期、正常蓄水位運行時壩體沉降最大值分別為61.5、62.3 cm，發生在建基面上。竣工期壩體順河向位移指向上游最大值17.9 cm，指向下游變形最大值為16.9 cm，蓄水期指向上游最大值5.1 cm，指向下游變形最大值為19.2 cm，壩體位移分布規律和量值符合面板壩的一般規律，處于可控范圍。

2)蓄水期面板軸向壓、拉應力最大值分別為6.65 MPa和-1.36 MPa，順坡向壓、拉應力最大值分別為5.03 MP和-1.14 MPa，面板順坡向和壩軸向拉應力較大部位均出現在古河槽與基巖的交界處，應進一步關注古河槽的影響。

3)蓄水期防滲墻與連接板之間的接縫處于壓緊狀態，接縫變形以沉陷為主。接縫沉陷最大值為34.9 mm，在止水結構及材料能夠適應的變形范圍內。蓄水期周邊縫兩岸坡大部分區域處于張開狀態，最大張開量為22.4 mm；河谷中央垂直縫處于壓緊狀態，兩岸垂直縫處于張開狀態，最大張開量為10.1 mm；整體來說面板周邊縫、垂直縫的變位量值均較小，可以滿足設計要求。