某水庫(kù)溢洪道泄槽段基礎(chǔ)處理及變形數(shù)值分析

郭玉龍，趙愛(ài)徐，蘇燦英

(大理州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 大理 671000)

1 基本情況

郭大寨水庫(kù)總庫(kù)容5093萬(wàn)m3，為中型水利工程，工程等別Ⅲ等，主要建筑物由大壩、右岸溢洪道、左岸輸水隧洞和導(dǎo)流泄洪隧洞組成，大壩壩型為粘土心墻堆石壩，最大壩高83.5m。溢洪道布設(shè)于大壩右壩肩，緊靠大壩，為有閘控制河岸式溢洪道，溢洪道最大下泄流量(P=0.05%)Qmax=317.80m3/s，建筑物級(jí)別3級(jí)[1]。

溢洪道基礎(chǔ)大部分置于強(qiáng)風(fēng)化角礫狀玄武巖、玄武巖的上部或中上部，但泄槽段中的一段(溢0+033.50～溢0+204.700)約171m，基礎(chǔ)置于松散的白云質(zhì)灰?guī)r孤石、大塊石崩坡積層上，最大厚度大于30m。地表出露及鉆孔揭露，該層巖性結(jié)構(gòu)不均，巖相變化較大，存在石間較大的架空現(xiàn)象，物理力學(xué)性質(zhì)差異較大。

崩坡積層基礎(chǔ)處理原設(shè)計(jì)采用固結(jié)灌漿加固方案，但現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)段存在吸漿量巨大、密實(shí)度和基礎(chǔ)承載力提高不明顯等問(wèn)題，必須調(diào)整基礎(chǔ)處理方案。借鑒類似工程實(shí)踐，將基礎(chǔ)處理方案調(diào)整為換填方案：鑒于郭大寨水庫(kù)溢洪道泄槽段(溢0+033.50～溢0+204.70)范圍內(nèi)基礎(chǔ)崩坡積體厚度較大，易造成溢洪道泄槽段底板不均勻沉降及破壞。在泄槽底板底部增加厚1m的C20埋石混凝土換填層[2]，以增加底板與基礎(chǔ)的接觸面積，減小建筑物對(duì)崩坡積體基礎(chǔ)產(chǎn)生的應(yīng)力，并在C20埋石混凝土底部敷設(shè)一層厚0.5m的碎石墊層，并予以機(jī)械碾壓，以增加基礎(chǔ)承載力。具體布置如圖1所示。

圖1 換填法典型橫斷面圖(單位：mm)

根據(jù)崩坡積層厚度較大，存在不均勻變形和沉降的特性，為分析評(píng)價(jià)基礎(chǔ)換填方案對(duì)基礎(chǔ)沉降變形的效果作用，需進(jìn)行溢洪道泄槽段基礎(chǔ)沉降變形特性分析計(jì)算。為提高計(jì)算精度和成果可靠性，采用有限元數(shù)值模擬方法分析計(jì)算[3- 4]。

2 有限元數(shù)值模擬沉降變形分析計(jì)算

2.1 計(jì)算分析目的

郭大寨水庫(kù)溢洪道泄槽段基礎(chǔ)崩坡積堆積體允許承載力、變形模量較低，且崩坡積的物理力學(xué)性質(zhì)和厚度存在較強(qiáng)的不均勻性，易產(chǎn)生不均勻沉降變形導(dǎo)致溢洪道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。因此，采用不同基礎(chǔ)換填擴(kuò)展范圍、換填深度和結(jié)構(gòu)縫形式方案組合，通過(guò)有限元數(shù)值模擬方法分析溢洪道竣工期及泄洪運(yùn)行期的溢洪道底板沉降變形問(wèn)題，研究崩坡積堆積體非均勻地基上采用置換法處理溢洪道基礎(chǔ)的可行性。并為基礎(chǔ)處理方案提供依據(jù)。

2.2 泄槽段荷載分析

2.2.1計(jì)算剖面

選取崩坡積體基礎(chǔ)泄槽段典型橫斷面及溢洪道縱斷面進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)縫采用接觸單元模擬。典型橫斷面計(jì)算網(wǎng)格圖如圖2所示，縱斷面計(jì)算網(wǎng)格圖如3所示。

表1 郭大寨水庫(kù)右岸溢洪道泄槽段底板主要荷載

圖2 典型橫斷面計(jì)算網(wǎng)格圖

圖3 縱斷面計(jì)算網(wǎng)格圖

2.2.2計(jì)算模型參數(shù)

計(jì)算分析所采用的材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)表

2.2.3模擬過(guò)程

考慮到崩坡積體的流變特性，假定溢洪道沉降量主要發(fā)生在竣工后，分析溢洪道竣工期沉降特性及運(yùn)行期的沉降特性。對(duì)地基、溢洪道施工以及溢洪道泄洪運(yùn)行進(jìn)行分級(jí)加荷模擬。

第1級(jí)：模擬天然地基；第2級(jí)：模擬溢洪道基礎(chǔ)開(kāi)挖；第3級(jí)：若采用地基置換措施，則模擬碎石及混凝土填筑施工；第4級(jí)：模擬溢洪道施工；第5級(jí)：模擬溢洪道泄洪運(yùn)行。

溢洪道泄洪運(yùn)行工況，溢洪道底板荷載為靜水壓力、托拽力以及脈動(dòng)壓力。考慮到拖拽力相對(duì)較小，采用溢洪道底板受2.5m靜水壓力作用的簡(jiǎn)化處理方法。

2.2.4計(jì)算方案

典型橫斷面計(jì)算主要研究基礎(chǔ)換填擴(kuò)展范圍及換填深度對(duì)溢洪道沉降量的影響，縱斷面計(jì)算主要研究基礎(chǔ)換填、結(jié)構(gòu)縫形式對(duì)溢洪道總體沉降量及不均勻沉降現(xiàn)象的影響，計(jì)算方案見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算方案表

2.2.5 典型橫斷面計(jì)算結(jié)果

典型橫斷面計(jì)算成果見(jiàn)表4，如圖4所示。采用基礎(chǔ)換填措施后溢洪道沉降量得到明顯改善，且隨著基礎(chǔ)擴(kuò)展寬度的變大及換填深度的加深，溢洪道沉降量減小，采用1.0m擴(kuò)展寬度、1.5m深換填深度(1m厚C20埋石混凝土換填層，0.5m厚碎石墊層)，溢洪道竣工期沉降量為11.3mm，運(yùn)行期沉降量為16.8mm。

表4 典型橫斷面計(jì)算成果表

圖4 總位移云圖：GK4，基礎(chǔ)擴(kuò)展寬度1.0m，換填深度1.5m

2.2.6縱斷面計(jì)算結(jié)果

縱斷面計(jì)算成果如圖5—6所示。

(1)方案FA1，結(jié)構(gòu)縫采用豎直縫，基礎(chǔ)不換填。竣工沉降穩(wěn)定后，溢洪道最大位移量為28.0mm；結(jié)構(gòu)縫豎向剪切位移方向大部分為下游底板相對(duì)向上錯(cuò)動(dòng)，最大值為5.7mm，發(fā)生在溢0+033.500處的結(jié)構(gòu)縫處；結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)同樣發(fā)生在溢0+033.500處的結(jié)構(gòu)縫處，最大張開(kāi)值為4.0mm。泄洪運(yùn)行時(shí)，溢洪道最大位移量增大到46.0mm；結(jié)構(gòu)縫豎向剪切位移方向大部分為下游底板相對(duì)向上錯(cuò)動(dòng)，最大值為9.1mm，發(fā)生在溢0+033.500處的結(jié)構(gòu)縫處；結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)同樣發(fā)生在溢0+033.500處的結(jié)構(gòu)縫處，最大張開(kāi)值為7.8mm。

(2)方案FA2，結(jié)構(gòu)縫采用搭接縫，基礎(chǔ)不換填。相比于FA1，竣工沉降穩(wěn)定后，溢洪道最大位移量減少到27.0mm；結(jié)構(gòu)縫的豎向剪切位移現(xiàn)象有較大改善，發(fā)生部位明顯減少，最大值減少到1.1mm；結(jié)構(gòu)縫最大張開(kāi)值減少到3.6mm。泄洪運(yùn)行時(shí)，溢洪道最大位移量減少到43.0mm；結(jié)構(gòu)縫豎向剪切位移最大值為2.0mm；結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)最大值為7.0mm。

(3)方案FA3，結(jié)構(gòu)縫采用豎直縫，基礎(chǔ)換填。相比于FA1，竣工沉降穩(wěn)定后，溢洪道最大位移量為17.5mm；結(jié)構(gòu)縫的豎向剪切位移現(xiàn)象有較大改善，最大值減少到0.3mm；結(jié)構(gòu)縫最大張開(kāi)值減少到2.2mm。泄洪運(yùn)行時(shí)，溢洪道最大位移量減少到29.8mm；結(jié)構(gòu)縫豎向剪切位移最大值為0.5mm；結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)最大值為3.9mm。

圖5 總位移云圖：FA4竣工期

圖6 總位移云圖：FA4運(yùn)行期

(4)方案FA4，結(jié)構(gòu)縫采用搭接縫，基礎(chǔ)換填。相比于FA2，竣工沉降穩(wěn)定后，溢洪道最大位移量減少到17.3mm；結(jié)構(gòu)縫的豎向剪切位移最大值減少到0.5mm；結(jié)構(gòu)縫最大張開(kāi)值減少到2.0mm。泄洪運(yùn)行時(shí)，溢洪道最大位移量減少到29.5mm；結(jié)構(gòu)縫豎向剪切位移最大值為0.9mm；結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)最大值為3.6mm。

根據(jù)計(jì)算成果，采用地基置換措施后，溢洪道總沉降值降低，且顯著改善了結(jié)構(gòu)縫的剪切位移及張開(kāi)位移現(xiàn)象；采用搭接縫形式相比與豎直縫形式，對(duì)結(jié)構(gòu)縫的剪切位移及張開(kāi)位移現(xiàn)象有一定的改善作用。

3 分析評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算分析：溢洪道泄槽底板直接坐落于崩坡積層上，溢洪道典型橫斷面竣工期沉降量為16.9mm，運(yùn)行期沉降量為25.2mm。采用1.0m擴(kuò)展寬度、1.5m深換填深度(1m厚C20埋石混凝土換填層，0.5m厚碎石墊層)，溢洪道典型橫斷面竣工期沉降量為11.3mm，運(yùn)行期沉降量為16.8mm。

溢洪道泄槽底板直接坐落于崩坡積層上，溢洪道縱斷面竣工期最大位移量27.0mm；結(jié)構(gòu)縫的豎向剪切位移最大值1.1mm；結(jié)構(gòu)縫最大張開(kāi)值3.6mm。泄洪運(yùn)行時(shí)，溢洪道最大位移量43.0mm；結(jié)構(gòu)縫豎向剪切位移最大值為2.0mm；結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)最大值為7.0mm。采用1.0m擴(kuò)展寬度、1.5m深換填深度(1m厚C20埋石混凝土換填層，0.5m厚碎石墊層)，溢洪道竣工期最大位移量17.3mm；結(jié)構(gòu)縫的豎向剪切位移最大值0.5mm；結(jié)構(gòu)縫最大張開(kāi)值2.0mm。泄洪運(yùn)行時(shí)，溢洪道最大位移量29.5mm；結(jié)構(gòu)縫豎向剪切位移最大值為0.9mm；結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)最大值為3.6mm。

基礎(chǔ)換填方案采用C20埋石混凝土部分置換了泄槽段的崩坡積體基礎(chǔ)，增加了泄槽底板與崩坡積體基礎(chǔ)的接觸面積，有效減少了崩坡積體基礎(chǔ)表面的應(yīng)力，降低了基礎(chǔ)承載力要求，同時(shí)在埋石混凝土置換層底部，鋪設(shè)碎石墊層并機(jī)械碾壓，也可一定程度的提高基礎(chǔ)承載力。總體上可有效降低基礎(chǔ)不均勻沉降所帶來(lái)的破壞力。采取基礎(chǔ)換填措施后，溢洪道底板結(jié)構(gòu)縫采用搭接縫形式，結(jié)構(gòu)縫的剪切滑移和張開(kāi)現(xiàn)象均可得到較大改善。

基礎(chǔ)置換方案溢洪道典型橫斷面竣工期沉降量為11.3mm，運(yùn)行期沉降量為16.8mm。溢洪道縱斷面竣工期最大位移量17.3mm；運(yùn)行期最大位移量29.5mm；溢洪道沉降變形在施工期完成50%以上，雖然溢洪道底板的整體沉降量仍稍大，但崩坡積層厚度連續(xù)分布，相鄰溢洪道襯砌底板的沉降位移基本連續(xù)、相協(xié)調(diào)，溢洪道底板不會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降破壞，同時(shí)溢洪道的結(jié)構(gòu)縫的不會(huì)產(chǎn)生破壞，溢洪道的結(jié)構(gòu)安全得到較大改善。

經(jīng)分析論證，結(jié)合郭大寨水庫(kù)溢洪道實(shí)際情況，采用開(kāi)挖換填方案作為溢洪道泄槽段崩坡積層基礎(chǔ)處理方案，采用GK5方案(采用1.0m擴(kuò)展寬度、1.5m深換填深度，即采用1m厚C20埋石混凝土換填層，0.5m厚碎石墊層)。

郭大寨水庫(kù)于2020年蓄水運(yùn)行，2021年汛期溢洪道最大泄洪流量121m3/s，枯期最大泄洪流量約9m3/s，根據(jù)泄槽段10個(gè)位移標(biāo)點(diǎn)沉降觀測(cè)資料分析，最大沉降量約10.2mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，溢洪道底板搭接結(jié)構(gòu)縫未見(jiàn)明顯變形，未發(fā)生張開(kāi)或壓碎現(xiàn)象，溢洪道運(yùn)行正常，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元數(shù)值模擬方法計(jì)算分析，采用基礎(chǔ)置換處理，郭大寨水庫(kù)溢洪道崩坡積層基礎(chǔ)泄槽段底板沉降量得到明顯改善，同時(shí)搭接結(jié)構(gòu)縫的剪切滑移和張開(kāi)現(xiàn)象均可得到較大改善。采用基礎(chǔ)置換處理是可行的，工程運(yùn)行表明，溢洪道結(jié)構(gòu)安全可靠。但計(jì)算的溢洪道底板整體沉降差異量仍較大，沉降量對(duì)建筑物影響的量化分析仍需進(jìn)一步的分析[6]。