淺析下游近壩區(qū)動態(tài)開挖影響下的庫壩系統(tǒng)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(jīng)濟發(fā)達地區(qū)用地緊張帶來的新開發(fā)區(qū)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(qū)的修造環(huán)境與大型工業(yè)化區(qū)域的重疊越來越多，由此引發(fā)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(qū)中的水利大省，省內各地區(qū)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(tǒng)的服役年齡較大，庫區(qū)附近新開發(fā)市政地塊的建造極易對老舊水利設施產(chǎn)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(huán)境內相關構筑物及建筑物造成的威脅極大。基于此，本文通過仿真模擬計算，重點研究浙東某庫壩系統(tǒng)在鄰近區(qū)基坑開挖影響下的動態(tài)響應機制與整體可靠性，以保證后續(xù)工程有序、安全實施。

1 工程概況

本文研究的庫壩系統(tǒng)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(qū)，壩基巖性為堅硬塊狀晶屑玻屑熔結凝灰?guī)r，上覆平均厚度5m 的坡洪積碎石土。與其緊鄰的是開發(fā)中的某商住小區(qū)，區(qū)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(xiàn)場

圖2 下游近壩區(qū)基坑作業(yè)現(xiàn)場

本次研究考慮該下游近壩區(qū)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(tài)開挖過程見圖3。

圖3 下游近壩區(qū)基坑開挖模型圖

2 材料分區(qū)及數(shù)值模擬

本文采用個性化、精細化建模手段，前期模型經(jīng)細化雕刻后劃分為5 個材料大區(qū)，即兩岸山體、壩體、上游壩踵區(qū)底板、壩基以及下游近壩區(qū)。本文所涉及各區(qū)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(tǒng)一使用Drucker-Prager 本構模型，壩體、壩肩以及上游壩踵區(qū)底板統(tǒng)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(jù)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(xiàn)為安全系數(shù)，r 為形狀系數(shù)。

為模擬下游近壩區(qū)地盤工程施工對區(qū)域內工程地質與水文地質環(huán)境的動態(tài)影響，本次研究引入虛實單元，以仿真工程對象環(huán)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(jù)實地情況將下游坡面作自由處理；同時考慮了下游近壩區(qū)地盤工程動態(tài)施工（地基處理）對庫壩系統(tǒng)的影響，并將施工中產(chǎn)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(qū)地盤工程開挖加固對庫壩系統(tǒng)產(chǎn)生的持續(xù)振沖效應；但不考慮下游近壩區(qū)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(qū)

依據(jù)模擬結果，在該基坑開挖過程中，若系統(tǒng)在高水位下持續(xù)運行，則系統(tǒng)可靠性將顯著下降，尤其是在下游近壩區(qū)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(tǒng)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(jù)仿真模擬結果，影響范圍可達到壩趾以外10 m。

下游近壩區(qū)基坑開挖產(chǎn)生的動力影響會引發(fā)壩頂下游側的彎曲變形，即該區(qū)域會出現(xiàn)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(qū)基坑開挖動態(tài)過程中，壩頂由于靜力卸載和動力沖擊發(fā)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(xù)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(fā)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(fā)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(tài)極易引發(fā)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(chǎn)生顯著影響，這種不利影響在下游近壩區(qū)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(jīng)細化雕刻后劃分為5 個材料大區(qū)，即兩岸山體、壩體、上游壩踵區(qū)底板、壩基以及下游近壩區(qū)。

根據(jù)本次研究，基坑開挖期內的該庫壩系統(tǒng)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)巖土體松弛控制在較小的范圍內，避免觸發(fā)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(xiàn)；依據(jù)仿真計算結果，間歇時間最長不宜超過7 天，且優(yōu)先推薦連續(xù)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(qū)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(xiàn)較大變形。