丹巴水电站覆盖层处理对闸底板沉降的影响

吕高峰，刘锶洋，朱锦杰

(1.国家能源局大坝安全监察中心 ，浙江 杭州 310014；2.浙江省水利水电勘测设计院 ，浙江 杭州 310002)

0 引 言

深厚覆盖层主要指堆积在河流河谷之中，其厚度一般都在30 m以上的第四纪松散沉积物.我国的大部分河流都有覆盖层沉积，尤其是西南地区的金沙江中下游、大渡河干流等河流，覆盖层厚度一都在几十米，最深达到数百米，如南桠河上部分区域的覆盖层最大厚度甚至超过420 m.深厚覆盖层具有分布规律差，级配变化大、结构特别松散、渗透性强、岩性不均匀等特点.在覆盖层上建坝，坝体沉降是重点关注的问题之一.我国水闸设计规范明确要求：“天然土质地基上水闸地基最大沉降量不宜超过15 cm，相邻部位的最大沉降差不宜超过5 cm”.[1-3]丹巴水电站为减小坝体沉降和相邻部位的不均匀沉降，对覆盖层的处理初拟了几种方案.本文运用室内试验测得的材料参数，对初拟的几种方案进行了三维有限元计算，并对结果进行对比分析，为覆盖层处理方案的选择提供意见.

1 计算模型

该闸坝修建在130余米深的覆盖层上，大坝全长351 m，最大坝高为43 m.拦河坝建筑物从左岸到右岸依次为左岸混凝土坝、冲砂闸、泄洪闸、右岸混凝土坝和土石坝组成.有限元建模选取的区域在顺河向从坝轴线上游240 m到坝轴线下游380 m，总长为620 m，在高程方向由山体的顶高程2 020 m高程处到基岩1 760 m高程处，总高度为260 m，在坝轴向包括坝体的351 m和两岸坝肩山体的49 m，总长400 m，总共划分单元93 659个，节点99 630个，有限元网格(见图1).

图1 有限元网格图

闸坝基础覆盖层厚度在80～130 m之间，共分为五层，靠近两岸存在一定区域的崩坡积体.为减小建坝后覆盖层的沉降和闸底板的不均匀沉降，闸基及两岸混凝土重力式挡水坝基础进行开挖回填处理.在材料性质差异较大的材料之间(闸底板与覆盖层之间)增设Goodman无厚度接触面单元，闸底板之间以及闸底板与上下游连接板之间均设置了缝单元[4-6].倒梯形开挖回填区、接触面和缝单元的设置情况(见图2).

2 计算参数与方案

覆盖层材料采用邓肯-张E-B非线性模型，原状覆盖层(①～⑤层，其中①为最底层)参数(见表1).闸室、闸底板、防渗墙和基岩等运用线弹性模型，混凝土的弹性模量均取28 GPa，泊松比是0.167，取基岩弹性模量为16 GPa，泊松比是0.2.接触面单元参数选取根据类似工程经验，以大渡河上瀑布沟心墙堆石坝中的接触面参数较为经典，取为：K1=2 500；n=0.66，Rf=0.74，δ=35°.

图2 有限元模型典型网格截面图

表1 覆盖层计算参数

覆盖层处理考虑了下列4种方案：

方案1 回填级配料

对倒梯形区域进行开挖，回填级配料并进行分层碾压.

方案2 回填级配料并固结灌浆

对倒梯形区域进行开挖，回填级配料并进行分层碾压，将整个回填级配料区域进行固结灌浆.

方案1的回填级配料和方案2回填级配料并固结灌浆后的材料参数(见表2).

表2 三轴剪切试验邓肯-张模型(E-B)参数表

方案3 回填胶凝砂卵石料

对倒梯形区域进行开挖，回填胶凝砂卵石料.胶凝砂卵石料计算使用线弹性模型，材料参数为弹模 1 GPa、泊松比为0.24.

方案4 回填胶凝砂卵石料并对原基础进行浅层固结灌浆

对倒梯形区域进行开挖，回填胶凝砂卵石料，回填胶凝砂卵石料基础(原河床)进行浅层10 m固结灌浆处理.胶凝砂卵石料参数和方案三相同，原河床进行固结灌浆的区域示意图(见图2)，材料参数(见表3).

表3 原河床固结灌浆后邓肯-张模型(E-B)参数表

3 计算结果

图3是方案三闸底板蓄水期的沉降变形扩大500倍后的形状.从图中可以看出闸室变形后有一定的弯曲，各坝段闸底板横缝和纵缝之间存在不均匀沉降，尤其在冲砂闸与泄洪闸之间的不均匀沉降较大.

图3 方案三蓄水期闸底板沉降变形扩大500倍后形状

以方案三为分析对象，绘制闸底板的沉降等值线图，见图4.由图可知：闸底板右岸沉降大于左岸，下游沉降大于上游；左岸上游侧沉降最小，右岸下游沉降最大，其中最小值为4.3 cm，最大值为14.6 cm；竣工期与蓄水期闸底板沉降等值线分布规律一致.闸底板沉降等值线图呈现以上规律，主要是因为该工程的闸坝靠近左岸，而越靠近左侧，覆盖层越浅，闸坝的右侧刚好处于河谷中间，该处覆盖层最深，闸底板上游侧上部混凝土少，下游侧上部混凝土多，从而呈现上述分布规律.方案1、方案2和方案4闸底板沉降等值线分布规律与方案3类似，仅数值大小存在一定的区别.

表4为4种方案闸底板沉降统计表，从图中可以看出，方案4的沉降值最小，最大值为12.90 cm；方案1的沉降值最大，达到了19.3 cm.各个方案中，方案3与方案4满足水闸设计规范对最大沉降值的要求，而方案1和方案2不满足水闸设计规范对最大沉降值的要求.回填凝砂卵石料的效果优于级配料.对回填级配料进行整体固结灌浆的对覆盖层沉降的减小较好，能使闸底板最大沉降在竣工期和蓄水期分别减小2.1 cm，但是不能使闸底板最大沉降满足规范要求的15 cm；对回填凝砂卵石料下的原覆盖层进行固结灌浆，使闸底板沉降值在竣工期和蓄水期分别减小0.5 cm和0.4 cm，效果一般，且不进行固结灌浆也已经满足规范要求，没必要再进行固结灌浆.

图4 方案三闸坝底板沉降(cm)

表4 闸底板沉降变形统计 单位：cm

以方案3为例，统计闸底板七条缝之间的不均匀沉降值沿顺河向的分布情况，见图5，数值为“+”表示缝左侧闸底板沉降小于缝右侧闸底板，数值为“-”说明缝左侧闸底板沉降大于缝右侧闸底板(缝的序号为图4中所列数值).各种方案竣工期、蓄水期的不均匀沉降最大值都在缝1，也就是冲砂闸与泄洪闸之间.主要是因为冲砂闸与泄洪闸之间有2.5 m的高程差，两者之间相对较为独立，冲砂闸底板高程较泄洪闸低，而闸顶高程一致，冲砂闸底板受到的重力明显大于泄洪闸.蓄水后，闸底板的不均匀沉降值沿顺河向的分布规律没有发生明显变化，但闸底板的不均匀沉降值较竣工期明显增大，主要因闸底板表面受到了竖直向的水压力.

图5 方案三闸室之间底板相对沉降(cm)

对闸底板不均匀沉降的最大值进行统计，结果(见表5)，各个方案蓄水期的最大沉降值都大于竣工期，主要受蓄水影响.每种方案竣工期和蓄水期的最大不均匀沉降都出现在缝1，该缝位于冲砂闸与泄洪闸之间.从不均匀沉降最大值数据上看，各个方案的最大不均匀沉降值为2.10 cm，满足水闸设计规范.各个方案的最大不均匀沉降值从大到小依次为方案1、方案2、方案3和方案4，方案4变化规律与最大沉降值的变化规律一致，最大沉降值基数大，不均匀沉降最大值也大.

表5 闸室之间底板相对沉降统计最大值 单位:cm

4 结 语

本文以丹巴水电站为例，初拟几种不同的覆盖层处理方案，建立三维有限元模型进行计算，并对计算结果进行对比分析.以此得出如下结论：

(1)不得在初拟的几种处理方案条件下，闸坝的闸底板的整体变形规律基本一致，仅量值上游一定区别；

(2)回填凝砂卵石料的效果优于级配料；

(3)对回填级配料进行整体固结灌浆的对覆盖层沉降的减小较好但是不能使闸底板最大沉降满足规范要求的15 cm；对回填凝砂卵石料下的原覆盖层进行固结灌浆，效果一般，且不进行固结灌浆也已经满足规范要求，没必要再进行固结灌浆；

(4)4个方案的不均匀沉降都满足规范要求，各方案不均匀沉降数值大小关系与总沉降变形一样.

参考文献：

[1] 吕高峰,朱锦杰.覆盖层开挖深度对闸底板沉降的影响分析[J].大坝与安全 ,2014(1):37-40,44.

[2] 关淑萍,张燎军,王大胜,等.边荷载对水闸地基沉降与底板内力的影响研究[J]. 水电能源科学, 2006,24(2):58-60.

[3] 龚俊伟.温榆河辛堡闸翼墙沉降计算及地基处理方法[J]. 北京水务,2012(3):51-53.

[4] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M]. 2版.北京:中国水利水电出版社， 1996.

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[6] 孙大伟. 深覆盖层上高面板坝应力变形性状研究[D].南京：南京水利科学研究院,2006.