某水库溢洪道泄槽段基础处理及变形数值分析

郭玉龙，赵爱徐，苏灿英

(大理州水利水电勘测设计研究院，云南 大理 671000)

1 基本情况

郭大寨水库总库容5093万m3，为中型水利工程，工程等别Ⅲ等，主要建筑物由大坝、右岸溢洪道、左岸输水隧洞和导流泄洪隧洞组成，大坝坝型为粘土心墙堆石坝，最大坝高83.5m。溢洪道布设于大坝右坝肩，紧靠大坝，为有闸控制河岸式溢洪道，溢洪道最大下泄流量(P=0.05%)Qmax=317.80m3/s，建筑物级别3级[1]。

溢洪道基础大部分置于强风化角砾状玄武岩、玄武岩的上部或中上部，但泄槽段中的一段(溢0+033.50～溢0+204.700)约171m，基础置于松散的白云质灰岩孤石、大块石崩坡积层上，最大厚度大于30m。地表出露及钻孔揭露，该层岩性结构不均，岩相变化较大，存在石间较大的架空现象，物理力学性质差异较大。

崩坡积层基础处理原设计采用固结灌浆加固方案，但现场灌浆试验段存在吸浆量巨大、密实度和基础承载力提高不明显等问题，必须调整基础处理方案。借鉴类似工程实践，将基础处理方案调整为换填方案：鉴于郭大寨水库溢洪道泄槽段(溢0+033.50～溢0+204.70)范围内基础崩坡积体厚度较大，易造成溢洪道泄槽段底板不均匀沉降及破坏。在泄槽底板底部增加厚1m的C20埋石混凝土换填层[2]，以增加底板与基础的接触面积，减小建筑物对崩坡积体基础产生的应力，并在C20埋石混凝土底部敷设一层厚0.5m的碎石垫层，并予以机械碾压，以增加基础承载力。具体布置如图1所示。

图1 换填法典型横断面图(单位：mm)

根据崩坡积层厚度较大，存在不均匀变形和沉降的特性，为分析评价基础换填方案对基础沉降变形的效果作用，需进行溢洪道泄槽段基础沉降变形特性分析计算。为提高计算精度和成果可靠性，采用有限元数值模拟方法分析计算[3- 4]。

2 有限元数值模拟沉降变形分析计算

2.1 计算分析目的

郭大寨水库溢洪道泄槽段基础崩坡积堆积体允许承载力、变形模量较低，且崩坡积的物理力学性质和厚度存在较强的不均匀性，易产生不均匀沉降变形导致溢洪道结构发生破坏。因此，采用不同基础换填扩展范围、换填深度和结构缝形式方案组合，通过有限元数值模拟方法分析溢洪道竣工期及泄洪运行期的溢洪道底板沉降变形问题，研究崩坡积堆积体非均匀地基上采用置换法处理溢洪道基础的可行性。并为基础处理方案提供依据。

2.2 泄槽段荷载分析

2.2.1计算剖面

选取崩坡积体基础泄槽段典型横断面及溢洪道纵断面进行计算分析，结构缝采用接触单元模拟。典型横断面计算网格图如图2所示，纵断面计算网格图如3所示。

表1 郭大寨水库右岸溢洪道泄槽段底板主要荷载

图2 典型横断面计算网格图

图3 纵断面计算网格图

2.2.2计算模型参数

计算分析所采用的材料物理力学参数见表2。

表2 材料参数表

2.2.3模拟过程

考虑到崩坡积体的流变特性，假定溢洪道沉降量主要发生在竣工后，分析溢洪道竣工期沉降特性及运行期的沉降特性。对地基、溢洪道施工以及溢洪道泄洪运行进行分级加荷模拟。

第1级：模拟天然地基；第2级：模拟溢洪道基础开挖；第3级：若采用地基置换措施，则模拟碎石及混凝土填筑施工；第4级：模拟溢洪道施工；第5级：模拟溢洪道泄洪运行。

溢洪道泄洪运行工况，溢洪道底板荷载为静水压力、托拽力以及脉动压力。考虑到拖拽力相对较小，采用溢洪道底板受2.5m静水压力作用的简化处理方法。

2.2.4计算方案

典型横断面计算主要研究基础换填扩展范围及换填深度对溢洪道沉降量的影响，纵断面计算主要研究基础换填、结构缝形式对溢洪道总体沉降量及不均匀沉降现象的影响，计算方案见表3。

表3 计算方案表

2.2.5 典型横断面计算结果

典型横断面计算成果见表4，如图4所示。采用基础换填措施后溢洪道沉降量得到明显改善，且随着基础扩展宽度的变大及换填深度的加深，溢洪道沉降量减小，采用1.0m扩展宽度、1.5m深换填深度(1m厚C20埋石混凝土换填层，0.5m厚碎石垫层)，溢洪道竣工期沉降量为11.3mm，运行期沉降量为16.8mm。

表4 典型横断面计算成果表

图4 总位移云图：GK4，基础扩展宽度1.0m，换填深度1.5m

2.2.6纵断面计算结果

纵断面计算成果如图5—6所示。

(1)方案FA1，结构缝采用竖直缝，基础不换填。竣工沉降稳定后，溢洪道最大位移量为28.0mm；结构缝竖向剪切位移方向大部分为下游底板相对向上错动，最大值为5.7mm，发生在溢0+033.500处的结构缝处；结构缝张开同样发生在溢0+033.500处的结构缝处，最大张开值为4.0mm。泄洪运行时，溢洪道最大位移量增大到46.0mm；结构缝竖向剪切位移方向大部分为下游底板相对向上错动，最大值为9.1mm，发生在溢0+033.500处的结构缝处；结构缝张开同样发生在溢0+033.500处的结构缝处，最大张开值为7.8mm。

(2)方案FA2，结构缝采用搭接缝，基础不换填。相比于FA1，竣工沉降稳定后，溢洪道最大位移量减少到27.0mm；结构缝的竖向剪切位移现象有较大改善，发生部位明显减少，最大值减少到1.1mm；结构缝最大张开值减少到3.6mm。泄洪运行时，溢洪道最大位移量减少到43.0mm；结构缝竖向剪切位移最大值为2.0mm；结构缝张开最大值为7.0mm。

(3)方案FA3，结构缝采用竖直缝，基础换填。相比于FA1，竣工沉降稳定后，溢洪道最大位移量为17.5mm；结构缝的竖向剪切位移现象有较大改善，最大值减少到0.3mm；结构缝最大张开值减少到2.2mm。泄洪运行时，溢洪道最大位移量减少到29.8mm；结构缝竖向剪切位移最大值为0.5mm；结构缝张开最大值为3.9mm。

图5 总位移云图：FA4竣工期

图6 总位移云图：FA4运行期

(4)方案FA4，结构缝采用搭接缝，基础换填。相比于FA2，竣工沉降稳定后，溢洪道最大位移量减少到17.3mm；结构缝的竖向剪切位移最大值减少到0.5mm；结构缝最大张开值减少到2.0mm。泄洪运行时，溢洪道最大位移量减少到29.5mm；结构缝竖向剪切位移最大值为0.9mm；结构缝张开最大值为3.6mm。

根据计算成果，采用地基置换措施后，溢洪道总沉降值降低，且显著改善了结构缝的剪切位移及张开位移现象；采用搭接缝形式相比与竖直缝形式，对结构缝的剪切位移及张开位移现象有一定的改善作用。

3 分析评价

经计算分析：溢洪道泄槽底板直接坐落于崩坡积层上，溢洪道典型横断面竣工期沉降量为16.9mm，运行期沉降量为25.2mm。采用1.0m扩展宽度、1.5m深换填深度(1m厚C20埋石混凝土换填层，0.5m厚碎石垫层)，溢洪道典型横断面竣工期沉降量为11.3mm，运行期沉降量为16.8mm。

溢洪道泄槽底板直接坐落于崩坡积层上，溢洪道纵断面竣工期最大位移量27.0mm；结构缝的竖向剪切位移最大值1.1mm；结构缝最大张开值3.6mm。泄洪运行时，溢洪道最大位移量43.0mm；结构缝竖向剪切位移最大值为2.0mm；结构缝张开最大值为7.0mm。采用1.0m扩展宽度、1.5m深换填深度(1m厚C20埋石混凝土换填层，0.5m厚碎石垫层)，溢洪道竣工期最大位移量17.3mm；结构缝的竖向剪切位移最大值0.5mm；结构缝最大张开值2.0mm。泄洪运行时，溢洪道最大位移量29.5mm；结构缝竖向剪切位移最大值为0.9mm；结构缝张开最大值为3.6mm。

基础换填方案采用C20埋石混凝土部分置换了泄槽段的崩坡积体基础，增加了泄槽底板与崩坡积体基础的接触面积，有效减少了崩坡积体基础表面的应力，降低了基础承载力要求，同时在埋石混凝土置换层底部，铺设碎石垫层并机械碾压，也可一定程度的提高基础承载力。总体上可有效降低基础不均匀沉降所带来的破坏力。采取基础换填措施后，溢洪道底板结构缝采用搭接缝形式，结构缝的剪切滑移和张开现象均可得到较大改善。

基础置换方案溢洪道典型横断面竣工期沉降量为11.3mm，运行期沉降量为16.8mm。溢洪道纵断面竣工期最大位移量17.3mm；运行期最大位移量29.5mm；溢洪道沉降变形在施工期完成50%以上，虽然溢洪道底板的整体沉降量仍稍大，但崩坡积层厚度连续分布，相邻溢洪道衬砌底板的沉降位移基本连续、相协调，溢洪道底板不会产生不均匀沉降破坏，同时溢洪道的结构缝的不会产生破坏，溢洪道的结构安全得到较大改善。

经分析论证，结合郭大寨水库溢洪道实际情况，采用开挖换填方案作为溢洪道泄槽段崩坡积层基础处理方案，采用GK5方案(采用1.0m扩展宽度、1.5m深换填深度，即采用1m厚C20埋石混凝土换填层，0.5m厚碎石垫层)。

郭大寨水库于2020年蓄水运行，2021年汛期溢洪道最大泄洪流量121m3/s，枯期最大泄洪流量约9m3/s，根据泄槽段10个位移标点沉降观测资料分析，最大沉降量约10.2mm。经现场检测，溢洪道底板搭接结构缝未见明显变形，未发生张开或压碎现象，溢洪道运行正常，结构安全可靠。

4 结语

通过有限元数值模拟方法计算分析，采用基础置换处理，郭大寨水库溢洪道崩坡积层基础泄槽段底板沉降量得到明显改善，同时搭接结构缝的剪切滑移和张开现象均可得到较大改善。采用基础置换处理是可行的，工程运行表明，溢洪道结构安全可靠。但计算的溢洪道底板整体沉降差异量仍较大，沉降量对建筑物影响的量化分析仍需进一步的分析[6]。