深厚覆盖层上土石围堰的应力变形研究

毛璐明，田威，杨玉群

（1.陕西省电力公司电力经济技术研究院，陕西西安 710075；2.长安大学建筑工程学院，西安 710061）

深厚覆盖层上土石围堰的应力变形研究

毛璐明1，田威2，杨玉群1

（1.陕西省电力公司电力经济技术研究院，陕西西安 710075；2.长安大学建筑工程学院，西安 710061）

以修建于深厚覆盖层上的土石围堰为研究对象，利用有限元软件ANSYS分步模拟堰体填筑和大坝基坑开挖过程。重点研究围堰竣工及基坑开挖的过程中堰体与混凝土防渗墙的应力变形特征。计算结果表明：整个施工过程中堰体与防渗墙沿三个坐标轴方向的位移分布规律良好，数值均在变形合理范围内，且各应力特征值均未超过设计标准，该围堰与防渗墙从施工期到运行期都是安全稳定的。

土石围堰；混凝土防渗墙；深厚覆盖层；有限元；应力变形

围堰是临时挡水建筑物，修建的目的是为了使水利枢纽建筑物能在干地上进行施工和检修。它的受力及变形状态对整个工程的施工安全起决定作用[1-2]。

20世纪90年代，我国兴建的长江三峡深水高土石围堰被国务院三峡建设委员会初步设计审查核心专家组确定为唯一的必须进行单项技术设计的临时工程[3]。该围堰从研究、设计到建设运行，历经了18年[4-5]，其中试验研究与设计分析阶段就长达11年。可见围堰在大型水利工程中的重要性，它的设计与施工正越来越受到人们的关注。

我国西部地区水能资源丰富，随着“西电东送”等重大项目的落实实施，越来越多的大型、特大型水电工程坐落于此，于是大量的土石围堰工程也破土动工。但该区域普遍存在压缩性较高的深厚覆盖层，大量的工程经验证明[6-9]，修建在深厚覆盖层上的土石围堰堰体及其防渗墙的应力变形特性是影响整个围堰工程安全的关键，因此在施工的全过程中它们的稳定性都需要特别关注。

本文以西部某二等大（2）型水电站的上游围堰为例，通过模拟堰体分层填筑的过程，研究堰体和混凝土防渗墙的应力变形特性，为围堰能否安全运行作出评价。

1 工程概况

某水电站位于西部一江的中游段，装机容量510 MW。大坝为混凝土重力坝，正常蓄水位3 310.0 m，

坝顶高程3 314.0 m，大坝基础高程3 198.0 m，最大坝高116.0 m，坝顶长377.60 m，采用坝后式地面厂房。本工程为二等大（2）型，主要建筑物为2级，相应导流建筑物为4级。坝址区为深切的高山峡谷，两岸基岩出露，岩性以花岗岩为主。坝址河床覆盖层最大厚度约45.0 m，枯期河床水面宽约120.0 m，水深约4.0 m。

该工程二期大坝基坑上游围堰采用土工膜斜墙土石围堰，堰顶高程3 280.0 m，最大堰高39.0 m，堰基采用封闭式砼防渗墙，防渗墙最大深度52.0 m。下游采用心墙土石围堰，堰顶高程3 260.0 m，最大堰高16.0 m，堰基采用封闭式混凝土防渗墙，防渗墙最大深度48 m。其典型剖面如图1所示。

图1 围堰典型剖面Fig.1 Typical sections of the cofferdam

2 堰体三维有限元模型与计算参数

2.1 基本假定

1）覆盖层土体、堰体堆石料为连续的弹塑性体，符合Mohr-Coulomb条件[10-11]，采用八节点四面体实体单元。

2）混凝土防渗墙及基岩视为线弹性体，均选用八节点四面体单元。

3）封闭式混凝土防渗墙与覆盖层土体，以及堰体堆石料界面采用面-面的摩擦接触单元。

4）上游的水压力以梯度荷载的形式施加于堰坡及覆盖层上。

2.2 有限元模型尺寸及边界条件

有限元模型计算区域：上游边界为上游围堰防渗帷幕向上游延伸200 m，左岸边界为左岸堰肩以左100.0 m，右岸边界为右岸堰肩以右100.0 m，下游边界自上游围堰坡脚向下游延165 m，达到坝轴线处。垂直向自弱风化层下限向下延50 m。坐标采用笛卡儿直角坐标系，坐标原点位于围堰轴线与堰体典型剖面交点的0标高处。以横河向为x轴，指向左岸为正向；以顺河向为z轴，指向下游为正向；以垂直向为y轴，垂直向上为正。计算模型的约束条件为：覆盖层表面为自由边界，不受任何约束；计算模型底部边界为3个方向的全约束；其余边界面均施加法向约束。模型如图2所示。其中单元数218 717个，结点数39 609个。

图2 有限元网格示意图Fig.2 FEM mesh of the cofferdam

2.3 计算参数的选取

上游围堰三维应力应变计算区域内共涉及到13种材料，它们分别为：截流戗堤、堰体堆石料、喷混凝土、堰坡干砌石、帷幕灌浆、导流明渠混凝土、混凝土防渗墙、覆盖层2（alQ4）、覆盖层1（fglQ3）、基岩Ⅳ、基岩Ⅲ1、基岩Ⅲ2和基岩Ⅱ。具体参数见表1。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

防渗墙与覆盖层、基岩，以及堰体堆石料界面的接触面单元的具体计算参数如表2所示。

3 填筑与计算过程

利用ANSYS软件中“杀死”和“激活”单元的功

能，对大坝基坑开挖的弹塑性应力变形进行研究，数值模拟的具体过程如下：

表2 计算采用的接触面模型参数Tab.2 Interface model parameters in the calculation

第一步：施工截流戗堤和防渗墙施工平台；

第二步：施工混凝土防渗墙；

第三步：施工高程3 260 m以下上游围堰，堰前及导流明渠中按水位高程3 248.00 m施加水压力；

第四步：施工高程3 264 m以下上游围堰；

第五步：施工高程3 268 m以下上游围堰；

第六步：施工高程3 272 m以下上游围堰；

第七步：施工高程3 276 m以下上游围堰；

第八步：施工高程3 280 m以下上游围堰、土工膜及堰坡干砌石（围堰竣工）；

第九步：堰后基坑开挖至高程3 234 m，堰前水位上升至高程3 277.90 m；

第十步：堰后基坑开挖至高程3 219 m；

第十一步：堰后基坑开挖至高程3 210 m；

第十二步：堰后基坑开挖至高程3 198 m。

4 计算结果分析

计算结果按照围堰竣工与大坝基坑开挖完成两个阶段进行整理。ANSYS软件中规定拉应力为正，压应力为负。主要分析堰体及防渗墙的变形规律，以及安全稳定性。

4.1 堰体变形及应力

从图3中可以看出，围堰碾压到设计高程3 280 m时，堰体的最大沉降量约为34.46 cm。最大沉降量发生在约1/3堰高处，堰体的沉降曲线呈以堰体中心线为中心的同心圆圈分布。垂向变形规律与一次加载，坝顶处沉降量最大明显不同。这是由于围堰逐级填筑，假定变形在施工中瞬时完成，则下部结构的自重不影响上部结构的变形。当堰体施工到某一高程，这个高程以下土重引起的沉降已经发生，此高程上各点如果发生位移，仅仅是其上土的自重所引起的。坝顶以上不再有荷载，故竖向位移为零。

图3 围堰竣工时沉降等值线图Fig.3 The subsidence isogram upon the cofferdam completion

挡水后开始进行大坝基坑开挖。如图4所示，开挖完成时围堰的最终沉降量为38.83 cm，较围堰竣工时有所增加，不过仍小于堰高的1%，在土石围堰变形的合理范围内。

图4 大坝基坑开挖完成时沉降等值线图Fig.4 The subsidence isogram upon the excavation completion

堰体上游的侧向水平位移指向上游，下游水平位移指向下游，基本呈对称分布，见图5（a）、（b）。

图5 围堰顺河向位移等值线图Fig.5 The displacement contour of the cofferdam

堰体竣工时，上游水平位移最大值10.46 cm，下游水平位移最大值14.76 cm。挡水后由于水压力的作用，整个堰体均发生向下游的水平变形，指向上游的位移明显减小，下游水平位移有所增大。大坝基坑开挖完成时，上游水平位移最大值减小到5.35 cm，下游水平位移最大值增加了3.34 cm。

如图6（a）、（b）所示，堰体从竣工到大坝开挖完成，最大应力水平从0.49逐步增大到0.76。根据摩尔库伦准则可以判定从填筑碾压到大坝基坑开挖的整个过程中，堰体边坡都是安全的。

4.2 混凝土防渗墙的应力变形

图7反映出从围堰填筑至高程3 272 m到大坝基坑开挖完成，混凝土防渗墙沿x轴方向的变形基本规律。施工的整个过程中，防渗墙x、y和z 3个方向的位

移分布规律良好。横河x轴方向的位移左右岸对称分布，最大值出现在防渗墙顶部，最大位移量约为-0.52 cm/0.50 cm。

图6 围堰应力水平等值线图Fig.6 The stress level contour of the cofferdam

图7 防渗墙x方向的最大水平位移Fig.7 The max displacement in x direction of the cutoff wall

垂直向最大沉降量出现在防渗墙顶部，呈现以防渗墙顶部中心为圆心的半圆形同心圆分布如图8所示。竣工时垂直向最大沉降量为2.85 cm。在模拟大坝基坑开挖的过程中覆盖层卸荷，使得防渗墙竖向变形产生少量的回弹，最大沉降量降至2.02 cm。

图8 防渗墙垂向位移等值线图Fig.8 The vertical displacement contour of the cutoff wall

观察图9可以发现，防渗墙顺河水平方向受力相当于一块文克莱弹性地基板，因此顺河水平方向位移呈现以防渗墙中心为圆心的同心圆，最大位移位置在防渗墙2/3高度处。围堰竣工时，由于堰体自重压缩覆盖层产生侧向位移，导致顺河水平方向位移最大值为11.03 cm，指向上游。图10反映了计算过程六至十二步，防渗墙沿z轴方向的变形规律。从图中可以看出第九步围堰挡水后，水压力有把防渗墙推向下游的作用，因此防渗墙指向上游的位移显著减小，最终为5.1 cm。之后基本保持不变，说明基坑开挖对防渗墙z轴方向的变形影响很小。

图9 防渗墙z向位移等值线图Fig.9 The displacement contour in z direction of the cutoff wall

图10 防渗墙z方向的最大水平位移Fig.10 The max displacement in z direction of the cutoff wall

由于防渗墙两侧地层不均匀，因此，防渗墙应力分布比较复杂，规律性不明显。各应力特征值见表3。

表3 防渗墙应力极值Tab.3 Maximum values of stress

根据表3可以看出：从围堰碾压至设计高程到大坝基坑开挖完成的整个过程中，防渗墙的压应力均未超过C15混凝土的轴心抗压强度设计值7.2 MPa，且未出现拉应力，产生拉裂缝的几率很小。防渗墙的最大应力水平也远远小于1，根据摩尔库伦准则可以判定在整个施工过程中防渗墙的受力是安全的[6]。

5 结论

本文通过对某深厚覆盖层上土石围堰及防渗

墙的受力变形分析，可以得出以下结论：

1）在数值模拟整个施工工程中，围堰的最大沉降量小于堰高的1%，在堰体竖向变形的合理范围内。由于深厚覆盖层具有一定压缩性，因此堰体最大沉降出现的位置下移到约1/3堰高处。

2）从堰体填筑碾压到大坝基坑开挖的整个过程中，堰体的应力水平逐步增大，但始终没有超过0.8，根据摩尔库伦准则可以判定，堰体边坡都是安全的。

3）施工的整个过程中，防渗墙x、y、z 3个方向的位移分布规律良好，墙体所受应力均在合理范围内，最大应力水平仅为0.15，可以判定防渗墙的施工在理论上是安全的。

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Study on Stress and Deformation of Earth-Rock Cofferdam on Deep Overburden

MAO Luming1，TIAN Wei2，YANG Yuqun1
（1.Shaanxi Electric Power Corporation Economic Research Institute，Xi’an 710075，Shannxi，China；2.School of Civil Engineering，Chang’an University，Xi’an 710061，Shaanxi，China）

This paper takes the earth-rock cofferdam on the deep overburden as its main study object and numerically simulates the cofferdam filling and dam excavation process using FEM software ANSYS.The research is mainly focused on the stress and deformation characteristic of the cofferdam and concrete cutoff wall during completion and excavation processes.The results show that displacements of the cofferdam and cutoff wall are well distributed in three coordinate axes during the entire construction with all the values within the acceptable dis-formation limit and stress characteristic values not exceeding the design standard，and the cofferdam and cutoff wall are safe and stable both in construction period and operation period.

earth-rock cofferdam；concrete cutoff wall；deep overburden；finite element method；stress and deformation

2016-03-15。

毛璐明（1985—），女，工程师，主要从事电网工程建设等相关工作。

（编辑 黄晶）

陕西省自然科学基金资助项目（2015JM5160）。

Project Supported by the Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2015JM5160）.

1674-3814（2016）09-0141-05

O319.56

A