淺析下游近壩區動態開挖影響下的庫壩系統安全性能

孫卓麒，練偉，汪明元，可建偉，王亞軍,4

（1.浙江海洋大學海洋工程裝備學院，浙江 舟山 316022；2.舟山市水利勘測設計院，浙江 舟山 316022；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；4.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江 舟山 316022）

我國經濟發達地區用地緊張帶來的新開發區域施工對老舊建筑物、構筑物的影響越來越大,特別是商用及住宅區的修造環境與大型工業化區域的重疊越來越多，由此引發的綜合安全事故連鎖反應逐年增多，工程技術與科研人員必須對此類問題重點關注。浙江是沿海地區中的水利大省，省內各地區普遍存在水利工程設施與民用及商用建筑物相距較近的問題，其中，水庫大壩作為重要的水源及水能基地在稠密的人口聚集地星羅棋布，特別是許多庫壩系統的服役年齡較大，庫區附近新開發市政地塊的建造極易對老舊水利設施產生復雜且不利的工程影響，有些影響還具有顯著的隱蔽性與滯后性，給建筑環境內相關構筑物及建筑物造成的威脅極大?；诖?，本文通過仿真模擬計算，重點研究浙東某庫壩系統在鄰近區基坑開挖影響下的動態響應機制與整體可靠性，以保證后續工程有序、安全實施。

1 工程概況

本文研究的庫壩系統地處浙江東部沿海（圖1），壩體為均質土壩，壩高14.2m，總庫容6 萬m，為V 等以下山塘庫區，壩基巖性為堅硬塊狀晶屑玻屑熔結凝灰巖，上覆平均厚度5m 的坡洪積碎石土。與其緊鄰的是開發中的某商住小區，區內正在施做的深基坑開挖及部分隱蔽工程距離大壩壩趾最近處約40m（圖2）。

圖1 庫壩現場

圖2 下游近壩區基坑作業現場

本次研究考慮該下游近壩區近場基坑開挖最大開挖深度8m，分8 個土層單元逐次完成，基坑動態開挖過程見圖3。

圖3 下游近壩區基坑開挖模型圖

2 材料分區及數值模擬

本文采用個性化、精細化建模手段，前期模型經細化雕刻后劃分為5 個材料大區，即兩岸山體、壩體、上游壩踵區底板、壩基以及下游近壩區。本文所涉及各區域材料在仿真計算中均考慮其非線性特征，壩基及兩岸山體統一使用Drucker-Prager 本構模型，壩體、壩肩以及上游壩踵區底板統一使用Mohr-Coulomb 本構模型。對于降雨、滲透作用下，壩體填筑材料指標折減的仿真模擬主要依據圖4雙曲線折減模型完成，折減方程如式（1）所示。

圖4 雙曲線的折減模型圖

式中，I為折減后指標值，I為折減指標參照量，F為安全系數，r 為形狀系數。

為模擬下游近壩區地盤工程施工對區域內工程地質與水文地質環境的動態影響，本次研究引入虛實單元，以仿真工程對象環境變化過程；對于部分不含虛實單元的工況，基坑開挖后邊坡不施加專門支護單元，該類邊界條件用以模擬坑道初始地應力卸載后長間歇自由變形情況；除專門仿真模擬空庫運行的若干工況外，壩體上游面將普通施加靜水壓力，依據實地情況將下游坡面作自由處理；同時考慮了下游近壩區地盤工程動態施工（地基處理）對庫壩系統的影響，并將施工中產生的振沖荷載作為動力學加載條件引入仿真計算；動力仿真計算采用脈動激振荷載（圖5），模擬下游近壩區地盤工程開挖加固對庫壩系統產生的持續振沖效應；但不考慮下游近壩區振沖效應下上游水庫的動力耦合作用。

圖5 振沖脈動激振波形

3 結果分析

篇幅所限，本文僅列出部分代表性結果如圖6、7。

圖6 壩體鉛垂向位移場

圖7 塑性圓弧滑動區

依據模擬結果，在該基坑開挖過程中，若系統在高水位下持續運行，則系統可靠性將顯著下降，尤其是在下游近壩區長期開挖揭露、無可靠支護設施以隔斷地應力卸載對庫壩系統擾動影響條件下，壩體順河向位移水平普遍較高。

在基坑開挖過程中，壩體變形對庫水位極為敏感，相同位置處高水位下壩體的最大變形量可以達到低水位下變形量的10 倍以上；而在空庫下，即便考慮基坑開挖時邊坡及坑道承受動力沖擊，壩體各特征點處的變形量依舊較小。

尤其是開挖卸載，其對壩體之影響效應極為顯著，即使將開挖看作靜載過程，當近場開挖深度超過5m 后，此過程對壩體下游坡變形仍有一定影響，依據仿真模擬結果，影響范圍可達到壩趾以外10 m。

下游近壩區基坑開挖產生的動力影響會引發壩頂下游側的彎曲變形，即該區域會出現順河向位移變號，這種影響還會向兩岸壩肩傳遞，這種彎曲變形對壩頂附屬結構物會造成不同程度破壞。

下游近壩區基坑開挖動態過程中，壩頂由于靜力卸載和動力沖擊發生位移是客觀存在的，只是不同工況下幅度有所差異。同時，與短期高庫水位相比，基坑開挖過程中的持續高水位不良影響更大，與低水位情況相比，高庫水位下考慮左岸壩肩滲透引發填筑材料密度折減帶來的壩體變形量增加更為明顯，特別是由此引發的自右岸向左岸傳遞的橫河向不平衡拉應力較大，最大不平衡拉應力大于100 KPa，這種應力狀態極易引發壩體局部拉裂；考慮降雨、滲透帶來的填筑材料強度折減主要對壩體的動力性能產生顯著影響，這種不利影響在下游近壩區及壩肩處更為明顯。

4 結論

本文采用個性化、精細化建模手段，前期模型經細化雕刻后劃分為5 個材料大區，即兩岸山體、壩體、上游壩踵區底板、壩基以及下游近壩區。

根據本次研究，基坑開挖期內的該庫壩系統最大庫水位不宜超過1.8 m(即不超過本次研究模擬低水位的20%),同時須避免下游近壩區基坑施工期庫水位的劇烈變化，這種庫水位的變化幅度達到或超過50%時，會將下游近壩區開挖松弛帶來的壩體下游坡變形影響成倍放大。

下游近壩區基坑開挖后需及時做好水平及豎向支護，盡早將地應力卸載帶來的下游近壩區巖土體松弛控制在較小的范圍內，避免觸發壩體下游坡變形的連鎖反應，尤其應避免基坑開挖后未做可靠支護的“長間歇”出現；依據仿真計算結果，間歇時間最長不宜超過7 天，且優先推薦連續墻加錨桿的支護形式。

為安全起見，至少需在基坑邊緣、下游近壩區一側做一道隔振溝，以消減基坑開挖過程中動力荷載帶來的不良影響，避免基坑開挖后期尤其是壩頂出現較大變形。