覆盖层上面板堆石坝的应力变形特性研究

刘若星, 霍家平, 傅中志，梅世昂

(1．南京水利科学研究院，江苏?南京?210024；2．水利部农村电气化研究所，浙江?杭州?310012；3．水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏?南京?210024)



覆盖层上面板堆石坝的应力变形特性研究

刘若星1,2, 霍家平1,3, 傅中志1,3，梅世昂1,3

(1．南京水利科学研究院，江苏?南京?210024；2．水利部农村电气化研究所，浙江?杭州?310012；3．水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏?南京?210024)

对某工程大坝基础砂砾石层进行了浅层载荷试验，反演分析了基础覆盖层的“南水”双屈服面模型参数。在此基础上，结合筑坝材料大型三轴试验结果，研究了覆盖层上面板堆石坝坝体和面板的应力变形特性，研究了蓄水后周边缝和垂直缝的变形量值，比较了覆盖层不同开挖范围时大坝、面板、周边缝以及垂直缝的应力变形特征，对坝基砂砾石层的开挖范围和合理利用提出了建议。图4幅，表3个。

覆盖层；面板堆石坝；载荷试验；应力变形

0 引 言

面板堆石坝因其对地形地质条件的广泛适用性、就地取材的经济性和快速施工的便利性等优势，在世界各国水利水电开发中得到广泛应用[1]。我国自20世纪80年代中期开始建造混凝土面板堆石坝，至今建成和在建的混凝土面板堆石坝数量已经超过250座[2]。其中，已建成投产的清江水布垭面板堆石坝坝高233 m，居同类坝型世界第一[3]。随着我国水能资源开发程度的进一步提高，优良坝址日益减小，不少拟建面板坝都将面临深厚覆盖层上筑坝的技术难题。

随着我国筑坝技术和坝基处理技术的提高，保留坝基覆盖层已成为重要发展趋势，如云南那兰水电站、新疆察汗乌苏水电站、甘肃九甸峡水电站等大坝均将趾板建于覆盖层之上，且坝高均突破100 m，为我国覆盖层上面板堆石坝建设积累了丰富的经验[2]。覆盖层上筑坝主要有两种方式：一是将趾板及其下游一定范围内的覆盖层挖除，趾板建于基岩面上，堆石体主体仍建基于覆盖层上；二是将趾板和堆石体均建基于覆盖层上，趾板通过连接板与混凝土防渗墙相连接，形成封闭的防渗系统[4]。目前，对于覆盖层上筑坝的基本认识是，在河床冲积层深厚的坝址，只要冲积层内没有软弱夹层或透镜体；或有软弱夹层和透镜体，但经处理后能够满足抗滑稳定的要求，且各部位的总平均压缩模量不低于相应部位的堆石体压缩模量。除趾板、垫层及过渡区部位外，其余堆石体部位的覆盖层一般均可以作为堆石体坝基的一部分而予以保留[5]，趾板部位的处理方式则宜根据勘察、试验和验证后确定。

本文以贵州省铜灌口水库灌区工程为例，综合运用勘察、现场试验和数值模拟等手段研究了覆盖层上面板堆石坝坝体和防渗系统的应力变形特性，论证了该工程覆盖层利用的可行性。

1 工程概况

铜灌口水库灌区工程位于贵州省习水县同民镇蔺江村的同民河中游，距遵义市区253 km，距习水县城53 km，距同民镇15.2 km，坝址处有简易乡村公路通过。工程建设任务为农田灌溉、乡镇及农村人畜饮水，主要由水库枢纽和灌区渠系工程组成。水库枢纽工程主要建筑物有大坝、溢洪道、取水兼放空隧洞；灌区渠系由总干渠、河西干渠、螺丝湾干渠和6条支渠组成，灌区渠系总长102.411 km(其中3条已成斗渠，长23.115 km)。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高86.0 m，坝顶高程756.00 m，坝顶长202 m，坝顶宽7.5 m，顶部上游侧设置5.7 m高的防浪墙，混凝土面板厚0.3～0.6 m，上游坝坡1∶1.506 5，下游坝坡平均为1∶1.57(坝坡上设有6.5 m宽的上坝公路，公路间坝坡1∶1.30)(见图1)。

图1 大坝典型剖面示意

根据勘探揭示，坝址河床覆盖层深度为4～33.7 m，主要为崩塌堆积物，是块石、泥岩等风化产物，结构较为松散，且渗透性较强，存在不均匀变形和渗透稳定的问题。初步设计时拟将坝基覆盖层全部开挖清除，但因工程地处自然保护区，覆盖层开挖不仅加大坝体填筑量，还将造成大量弃碴，对生态环境造成不利影响。为解决上述问题，对坝基覆盖层开展了现场试验，并对坝体和坝基覆盖层开展了三维有限元计算分析，研究了覆盖层上筑坝的可行性。

2 覆盖层浅层载荷试验

在坝轴线下游侧的左岸河床部位布置了3个试点，开展了浅层载荷试验，试验设备由以下4部分组成：

(1) 承压板。宽b=0.5 m，面积A=0.25 m2的方形钢板。

(2) 加荷系统。是通过承压板对地基施加额定荷载的装置，采用电稳压式加荷装置，其原理是由液压加荷系统引出的压力表组成的传感器通过电气稳压控制系统开启油泵电机进行补油，当所施加的荷载满足要求时停止补油。

(3) 反力系统。采用挖机作反力系统。

(4) 观测系统。由电脑、JCQ—503A型静力载荷测试仪、观测支架、位移传感器、压力传感器组成。测试前将相关参数按要求输入电脑，确定无误后开始测试，仪器将自动进行加载、判稳、记录沉降值和油泵压力(转换成荷载值)并绘制荷载试验p～s曲线等。

表1中列出了3个试点的试验结果，3个试点均受反力限制终止试验(见表1)。从表中可以看出各试点直接试验结果差异显著，表明覆盖层材料的不均匀性是比较明显的。

表1 浅层载荷试验结果

3 覆盖层变形参数反演

3.1 覆盖层分布简化

坝基钻孔勘测和声波测试结果显示，覆盖层的分层较为明显，随着埋深的增加，波速逐渐提高，故可以断定深部覆盖层的密实度和变形模量较浅层大。但在本次反演分析和后续计算中均将覆盖层视为单一均匀材料，这一简化主要基于以下考虑：即反演分析用载荷试验结果，反演得到的变形参数是反映浅层砂砾石层变形特性的，将其运用到深部覆盖层是偏于保守和安全的。

3.2 反演参数选择

坝基覆盖层和坝料均采用南水双屈服面弹塑性本构模型[6]，该模型共有9个参数，其中变形模量参数3个，即破坏比Rf，模量参数K、Kur和n；非线性强度参数φ0和Δφ；体变参数cd、nd和Rd。其中，最能体现材料变形特性的2个参数是模量参数K和体变参数cd，故反演分析仅通过优化手段推求这2个参数的取值，其余变形参数依工程经验取值。考虑到覆盖层原状样的强度参数较扰动样高，且目前还没有根据变形模量推算强度指标的可靠方法，故本次计算从偏于安全的角度，覆盖层强度参数取用主堆石料的强度参数。

3.3 载荷试验建模

载荷试验所用的承压板尺寸为0.5 m×0.5 m，且载荷试验的影响范围一般在承压板下1.5～2倍承压板直径或宽度，故此处砂砾石层深度方向上取1.0 m；宽度方向上取3 m进行建模，共形成结点11 264个，单元9 610个(见图2)。

图2 平板载荷试验有限元模型

3.4 反演分析结果

表1中试验点2处的变形模量显著高于其余2个试验点，可能是由测点之下未被揭示的大块石所致。此处为安全起见，采用试验点1和试验点3的载荷试验结果。图3中分别绘制了试验点1和试验点3处载荷试验p～s曲线与数值模拟得到的p～s曲线(见图3)，表2中列出了反演分析得到的覆盖层本构模型参数(见表2)，试验和数值模拟得到的p～s曲线的吻合程度良好，表明反演得到的参数精度较高。

4 大坝三维有限元分析

4.1 大坝有限元模型

截取了坝0+003.0 m到坝0+197.0 m约200 m长度的坝体进行了单元离散，建立了三维有限元模型，共形成单元14 506个，结点14 836个(见图4)。其中，三维实体单元主要采用8结点六面体等单元，为适应边界条件和坝料分区变化，局部区域采用三棱体和四面体单元过渡。图中坐标系定义如下：x正向定义为从左岸指向右岸，y正向定义为从上游指向下游，z正向定义为重力的反方向。

图3 试验与数值模拟得到的p～s曲线对比

图4 大坝的三维有限元网格示意

4.2 坝基和坝料参数

坝体和坝基材料可以考虑采用堆石体的剪胀和剪缩特性的“南水”双屈服面弹塑性本构模型，表2中列出了坝基覆盖层和坝料的南水双屈服面弹塑性模型参数。可以看出，反演分析得到的砂砾石层切线弹性模量参数K值为1 244；体变参数cd值为0.001，前者高于主、次堆石料的K值，后者低于主、次堆石的cd值。两者均表明，覆盖层较为密实，压缩性甚至低于筑坝堆石料。

表2 坝料和覆盖层的“南水”双屈服面模型参数

4.3 计算结果

表3中列出了不同覆盖层开挖量时坝体、面板和接缝的应力变形指标(见表3)。覆盖层上直接筑坝(即开挖范围为趾板下游40 m)时，蓄水期坝体指向左岸的轴向位移为8.9 cm，指向右岸的轴向位移为6.4 cm；坝体指向上游的顺河向位移为3.7 cm，指向下游的顺河向位移为16.6 cm；坝体沉降为53.2 cm。坝体应力水平始终未超过1，故填筑和运行期坝料不会出现剪切破坏。面板最大轴向位移为1.9 cm；最大挠度约16.3 cm，挠曲率为1.12‰。面板绝大多数区域处于三向受压的良好应力状态，轴向最大压应力2.88 MPa，最大拉应力0.20 MPa；顺坡向最大压应力3.62 MPa，最大拉应力0.68 MPa。面板的拉压应力低于混凝土的抗压和抗拉强度。周边缝剪切位移5.8 mm、沉陷14.7 mm、张拉18.6 mm；垂直缝最大张拉1.9 mm，均未超出止水的可承受范围。

上述计算结果表明，保留河床覆盖层时大坝及其防渗系统的应力变形性状良好，铜灌口水库混凝土面板堆石坝工程宜优先考虑在覆盖层上直接筑坝。

表3 不同覆盖层开挖范围时大坝的应力变形指标

5 结 论

本文运用三维有限单元法对铜灌口灌区工程大坝基础砂砾石层的浅层载荷试验进行了分析，反演得到了基础覆盖层的双屈服面模型参数。在此基础上，结合筑坝材料大型三轴试验结果，研究了不同覆盖层开挖方案时坝体、面板和接缝系统的应力变形特性，得出的主要结论如下：

(1) 反演分析得到覆盖层的模量参数和体变参数分别为K=1 244；cd=0.001，其中，模量参数高于主、次堆石料，体变参数低于主、次堆石，表明覆盖层较为密实，压缩性低于筑坝堆石料，具有覆盖层上筑坝的条件。

(2) 由于覆盖层的变形模量要高于主、次堆石料，故开挖范围越小，即河床覆盖层保留越多，坝体在竣工期和蓄水期的变形值越小；面板的轴向位移和挠度也越小。即使只对趾板下游40 m范围内覆盖层进行开挖清除，面板的轴向和顺坡向应力均低于混凝土材料的抗压和抗拉强度；周边缝和垂直缝的三向变位亦未超出止水的可承受范围。故铜灌口水库混凝土面板堆石坝工程宜优先考虑在覆盖层上直接筑坝。

[1] 国际大坝委员会. 混凝土面板堆石坝设计与施工概念[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2010.

[2] 郦能惠. 高混凝土面板堆石坝新技术[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2007.

[3] 杨启贵, 刘 宁, 孙 役. 水布垭面板堆石坝筑坝技术[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2010.

[4] SL 228—2013, 混凝土面板堆石坝设计规范[S].

[5] 王自高, 马显光, 高 健. 高土石坝深厚覆盖层地基勘察及处理实践[C]//土石坝技术2014年论文集.北京：中国电力出版社，2015：9_16.

[6] 沈珠江. 理论土力学[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2000.

责任编辑 吴 昊

2015-06-08

刘若星(1984-)，女，工程师，主要从事水利水电研究及科研管理工作。 E_mail:rxliu@hrcshp.org