深厚覆盖层地基高土石围堰应力变形分析

张祥，车明杰，樊艳欣，杜鑫，郭兰春

（1.甘肃电投大容电力有限责任公司，甘肃兰州　730046；2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安　710048；3.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都　610051）

深厚覆盖层地基高土石围堰应力变形分析

张祥1，车明杰2，樊艳欣2，杜鑫3，郭兰春2

（1.甘肃电投大容电力有限责任公司，甘肃兰州730046；2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；3.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都610051）

结合Midas/GTS有限元分析软件，以某大型水电站围堰工程为例，通过计算分析得出了深厚覆盖层地基高土石围堰在完建期和蓄水期两种工况下的应力变形特性。结果表明：在两种工况下，堰体垂直位移的方向均竖直向下，最大值发生在堰体底部；完建期堰体及堰基的水平位移呈现两种趋势，上游部分水平位移指向上游，下游部分水平位移指向下游，蓄水期堰体及堰基的水平位移均指向下游；堰体的大、小主应力分布基本均为压应力，并从堰面向堰内逐渐增大，最大值发生在堰体底部的防渗墙附近，在防渗墙周边应力较为集中、梯度相对较大。

深厚覆盖层；高土石围堰；有限元分析；应力变形特性

随着我国水利水电工程建设事业的不断发展，越来越多的大型工程坝址不得不面对深覆盖层地基问题。在深覆盖层地基条件下，目前许多大型工程的施工围堰采用高土石围堰，其堰体防渗采用复合土工膜，地基防渗则采用混凝土防渗墙。不少工程经验证明，对于这种围堰结构布置型式，堰体和深覆盖层地基的应力变形特性是影响围堰工程安全的关键问题［1-2］。

本文采用Midas/GTS有限元分析软件，研究了深厚覆盖层地基高土石围堰在完建期和蓄水期2种工况下的应力变形特性，分析堰体发生裂缝的可能性，判断堰基覆盖层与混凝土防渗墙之间发生张拉及剪切破坏的可能性，以便为高土石围堰工程的设计提供依据。通过计算分析得出了2种工况下围堰的应力及位移变化情况。

1　工程概况

某大型水电站工程上游围堰两岸为基岩裸露，岩性为绿泥角闪片岩，地表岩体完整性较好。围堰处河床覆盖层最大厚度为63～65 m，按物质成分可分为4小层和I号透镜体，由上至下依次为：⑤Qal层，河床冲积砂卵石层夹少量漂石；③Qal层，含淤泥质粉砂层、黏土质砂；②Qal层，淤泥质黏土、黏土质砂；①Qal层，为卵石、块石夹砂，缺失第④层。

上游土石围堰挡水设计标准初选为30年一遇，对应洪峰流量6 330 m3/s；围堰最大堰高约60 m，其下部堰体及基础采用塑性混凝土防渗墙、上部堰体采用复合土工膜斜墙防渗。围堰下游坡脚距离大坝趾板开挖开口线留有一定距离，由于河床覆盖层深厚，围堰下游坝基开挖最大深度达70 m左右。围堰填筑料绝大部分为枢纽建筑物开挖料，主要为强风化及全风化料，力学参数较低。基础覆盖层厚度约65 m，大部分属于中度压缩性堰塞湖沉积物，对围堰沉降及抗滑、边坡稳定较为不利。围堰典型剖面图见图1。

图1　围堰典型剖面图（高程单位：m）Fig.1　Cofferdam typical section of cofferdam

2　计算工况及模型参数

2.1计算工况

根据设计确定的围堰施工及运行条件，对于该围堰拟定的2个计算工况分别为：完建期，上游水位2 545 m、下游水位2 537 m；蓄水期，上游水位2 594.06 m、下游水位2 537 m。

2.2模型参数

根据该工程标准横断面图，并且结合围堰地基的地质特性，建立相应的二维有限元模型。其计算范围确定为：堰体基础底部取至大坝趾板开挖最低高程2 465 m处，上、下游河床分别取至距上、下游堰体坡脚100 m、约1.5倍覆盖层厚度处。模型上、下游边界取为水平铰支，底部边界取为固定铰支［3-5］。计算模型见图2。

图2　围堰有限元计算模型Fig.2　Finite element calculation model of cofferdam

在分析计算中，堰体和地基覆盖层土石料及地基塑性混凝土防渗墙和堰体复合土工膜防渗斜墙均采用Duncan-Chang E-B模型［3-5］。其中，堰体和地基覆盖层土石料及地基塑性混凝土防渗墙的E-B模型参数根据本工程材料试验结果并结合工程类比确定，参数见表1。表中覆盖层1为河床冲击砂卵石夹少量漂石层，覆盖层2为淤泥质粉砂、黏土质砂层，覆盖层3为淤泥质黏土、黏土质砂层，覆盖层4为卵石、块石夹砂层。堰体复合土工膜防渗斜墙的E-B模型参数参照类似工程经验进行选取［6］，其模型参数见表2。

覆盖层下部基岩采用线弹性模型，基岩的密度为2.3 g/cm3，弹性模量为16 GPa，泊松比为0.2。

覆盖层与混凝土防渗墙之间接触面采用无厚度的Goodman单元［7-10］，其计算参数参照类似工程经验进行选取。内摩擦角取11.5°，凝聚力取0，挤压状态时法向刚度系数取106MPa/m，张拉状态时法向刚度系数取104MPa/m。

3　围堰的应力变形结果分析

通过连续增量计算获得了2种工况下的围堰应力变形结果，两种工况下位移及主应力见图3—图6。图中竖向位移以向上为正，水平位移以向下游方向为正，单位为m；应力以拉应力为正，压应力为负，单位为kPa。

如图3所示，在两种工况下，堰体垂直位移的方向均竖直向下，最大值发生在堰体底部，并以此为中心，堰体其他部分的垂直位移则逐渐减小。其中，完建期堰体最大垂直位移为36.0 cm，蓄水期堰体最大垂直位移为52.0 cm。

表1　堰体及地基材料E-B模型参数Tab.1　The E-B model parameters of the cofferdam and foundation materials

表2　复合土工膜E-B模型的参数Tab.2　Parameters of E-B model of composite soil

图3　完建期和蓄水期堰体的垂直位移图（单位：m）Fig.3　The vertical displacement map of the cofferdam in the construction period and impoundment period

如图4所示，完建期堰体及堰基的水平位移呈现两种趋势，上游部分的水平位移指向上游，但趋势不太明显，最大值发生在堰基偏上游堰坡处，最大值为2.9 cm；下游部分的水平位移指向下游，最大值发生在堰坡坡脚附近，最大值为6.9 cm。蓄水期堰体及堰基的水平位移大部分指向下游，指向下游的两个极值区分别发生在防渗墙顶部和堰坡坡脚附近，最大值为27.2 cm，堰基偏底部小部分区域的水平位移指向上游，最大值为2.5 cm。

图4　完建期和蓄水期堰体的水平位移图（单位：m）Fig.4　The horizontal displacement diagram of the cofferdam in the construction period and impoundment period

同时，堰体的大、小主应力分布基本均为压应力，并从堰面向堰内逐渐增大，最大值发生在堰体底部的防渗墙附近，在防渗墙周边应力较为集中、梯度相对较大，其中，完建期大主应力的最大值为2.39 MPa，为压应力，小主应力的最小值为3.46 kPa，为压应力；蓄水期大主应力的最大值为2.47 MPa，为压应力，小主应力的最小值为57.52 kPa，为压应力，发生在防渗墙底部。如图5和图6所示。

2种工况下围堰应力及位移的主要计算成果见表3。

图5　完建期和蓄水期堰体的大主应力图Fig.5　The large principal stress of the cofferdam in the construction period and impoundment period

图6　完建期和蓄水期堰体的小主应力图Fig.6　The small principal stress of the cofferdam in the construction period and impoundment period

表3　2种工况下围堰位移应力主要计算结果表Tab.3　The main results of displacement and stress of the cofferdam in the construction period and impoundment period

4　结语

本文以某水电站工程围堰为例，研究了深厚覆盖层地基高土石围堰在完建期和蓄水期2种工况下的应力变形特性，通过计算分析得出了2种工况下围堰的位移及应力变化情况，得出了以下几点结论：

1）在围堰完建期，堰体垂直位移的方向均竖直向下，最大垂直位移发生在堰体底部，并以此为中心，堰体其它部分的垂直位移则逐渐减小。堰体及堰基的水平位移呈现两种趋势，上游部分的水平位移指向上游，但趋势不太明显，最大值发生在堰基偏上游堰坡处，下游部分的水平位移指向下游，最大值发生在下游堰坡坡脚附近。

2）围堰蓄水后，堰体垂直位移的分布规律与围堰完建期的相似，堰体及堰基的水平位移均指向下游，两个极值区分别发生在防渗墙顶部和堰坡坡脚附近。

3）在围堰完建期，堰体的大、小主应力基本均为压应力，应力从堰面向堰内逐渐增大，最大值发生在堰体底部的防渗墙附近。在防渗墙周边应力较为集中、梯度相对较大，大主应力的最大值发生在防渗墙下部，小主应力最小值亦出现在防渗墙底部，并在防渗墙底部局部范围内出现较小的拉应力区。蓄水期堰体的大、小主应力的分布规律与完建期基本相同，但其绝对值均有所增大。

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（编辑李沈）

Stress and Deformation Analysis of High Earth-Rock Cofferdam on Deep Overburden Foundation

ZHANG Xiang1，CHE Mingjie2，FAN Yanxin2，DU Xin3，GUO Lanchun2
（1.GEPIC Darong Electric Power Company Limited，Lanzhou 730046，Gansu，China；2.College of Faculty of Water Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，Shaanxi，China；3.Yalong River Hydropower Development Company Limited，Chengdu 610051，Sichuan，China）

Based on the finite element analysis software Midas/GTS，and taking a large hydro-power station as an example，this paper analyzes through calculations the stressdeformation behaviors of the high earth-rock cofferdam on deep overburden foundation both in the construction period and impoundment period.The results show that under the two conditions，the direction of the vertical displacement of the cofferdam is downward with the maximum value occurring at the bottom；In the construction period，the horizontal displacements of the cofferdam and its foundation show two trends：the horizontal displacement of the upstream part is to the upstream and the downstream part to the downstream；in the impoundment period，the horizontal displacement of the cofferdam and its foundation are both to the downstream；The large and small principal stress distribution of the cofferdam is mainly compressible stress，which gradually increases from the surface to the center，and the maximum occurs near the cut-off wall，and the stress is concentrated in the cut-off wall surrounding with relatively large gradient.

deep overburden foundation；high earth-rock cofferdam；finite element analysis；stress-deformation behavior

1674-3814（2015）12-0121-05

TV641.4

A

2015-08-15。

张祥（1983—），男，工程师，主要从事工程管理；

车明杰（1989—），男，在读硕士，主要从事水工结构分析及数值仿真研究。