三峽工程二期深水圍堰工程性狀反分析研究

汪明元　展林　包承綱　李青云

浙江大學，浙江杭州310027　長江科學院，湖北武漢430010

引言

    在深水中的淤砂地基上修建的二期圍堰是關系三峽工程成敗的關鍵建筑物，“七五”和“八五”攻關期間，長江科學院聯合多家單位攻克多項技術難題，筆者參與其建設、運行至拆除全過程的研究與監測工作。在復雜地基和深水環境中修筑圍堰，防滲墻的應力與變形狀態是關鍵問題，多家單位對此進行了長達近20年的數值計算，在設計方案的選擇、運行期的變形與安全判斷等方面發揮了重大作用，而監測到圍堰的實際性狀與數值分析的結果尚存在一定差異。2002年圍堰拆除時進行了調查、取樣和相關參數的測試，使得對防滲墻的應力與變形有了更真實和全面的認識。

    筆者分析了二期圍堰的實際工程性狀，并以上游防滲墻實際的應力與變形為基礎，采用基于多點約束的接觸迭代算法模擬防滲墻與堰體的相互作用，對其實際性狀進行了反分析，探討了工程中多年關注的問題，其結論可供土石壩工程的設計研究參考。

1、三峽工程二期圍堰實際性狀

    二期圍堰的典型斷面見圖1，上游防滲墻上下游側的水位及應變過程見圖2，根據監測資料擬合的上游防滲墻水平位移與應變沿高程的分布。圍堰拆除時發現防滲墻上下游面普遍存在2～3cm厚的泥皮，附著在防滲墻面上，與防滲墻和堰體間的界面清晰，防滲墻和填料間的泥皮上明顯的擦痕表明二者間沿豎向發生過相對位移，另外，二期圍堰運行期實測的防滲墻最大豎向壓應力在2．3～2．5MPa左右；實測的墻體豎向位移不到l0cm；土壓力監測結果顯示防滲墻與上游側堰體間脫開，

圖1三峽工程二期上游圍堰典型剖面

2、反分析的方案

    二期圍堰應力變形的研究經歷了多個階段，取得了許多重要成果。分析圍堰實際性狀與數值計算結果差異的因素在于堰體填料的參數、堰體與防滲墻接觸的模擬方法、圍堰上下游水位過程、堰體材料分區等方面。反分析立足解釋圍堰的實際性狀并回答工程建設中一直關心的問題。填料分別采用“南水”雙屈服面模型與Duncan E-μ模型模擬，以實測的防滲墻水平應變與位移為目標函數反分析填料的參數，探討初始密度對水下拋填材料的影響及參數取值方法，并研究起控制作用的因素。模擬了防滲墻與堰體間的泥皮，通過不同參數的數值分析與實測防滲墻豎向應力的分布相對比，分析泥皮的影響與參數。通過防滲墻頂與堰體的不同接觸狀態，研究墻體的沉降規律，探討該部位接觸的模擬方法。研究防滲墻側堰體的水平應力過程與分布規律，并以此分析上游側堰體與墻體脫開的原因。反分析采用較密的有限元網格，沿上下游方向將防滲墻分為5層單元，共劃分5482個二次等參元，通過一系列的敏感性正分析，逐次逼近實測成果。采用了圍堰實際的上下游水位過程和堰體分區，防滲墻底端設置30cm厚的沉渣。

    設置Goodman單元模擬防滲墻與堰體的接觸，易導致非正常嵌入和方程組病態問題。特別是在防滲墻頂部，無論是設置薄層單元還是Goodman單元，或將墻頂與堰體間模擬為連續介質，都會導致防滲墻的豎向位移偏大，原因在于塑性混凝土防滲墻刺入風化砂填料散體將導致墻頂接觸壓力釋放和豎向變形減小。反分析采用基于多點約束的迭代算法模擬防滲墻與堰體的相互作用，接觸面間剪應力的傳遞采用庫侖定律描述，其實質是將接觸面作為動態邊界施加于接觸體，迭代求得滿足接觸約束條件的應力場與變形場。

3、反分析的結果

    3.1圍堰填料的參數

    以原技設參數為基礎，調整堰體的主要變形參數進行計算，得到與墻體實際變形分布相一致的參數。

    實測的防滲墻變形曲線在高程20m和40m兩處的反彎點顯示堰體填料的變形模量沿深度變化較大。以前研究中水下平拋砂礫石的n值取0.47，均無法得到反彎點，不能逼近實測曲線。將水下拋填砂礫石分層，參數n取較大值，可獲得良好的逼近。表明水下拋填砂礫石的參數n值對防滲墻變形的形態影響很大，凡值越大，變形模量隨深度變化越大，根據初始密度分層確定拋填料的變形參數較合理。

    堰體各分區對防滲墻變形的影響是各方關心的問題。分別將上游石渣、下游戧堤、拋填風化砂、拋填砂礫石4種材料的變形參數K增加30％，可見后兩種材料的參數對防滲墻的變形影響最大，而其他材料的影響相對較小。

    3.2防滲墻與堰體間泥皮的影響與參數

    根據防滲墻應變計算的豎向應力與泥皮摩擦角取不同值時的計算值。可見防滲墻的豎向應力隨泥皮的摩擦角增大而增大，并取決于防滲墻與堰體的相對位移。堰體的沉降比防滲墻大，防滲墻受到向下的接觸剪切力；泥皮的摩擦角取試驗值l5°時，計算值與實測值很接近。泥皮可改善防滲墻的應力狀態，接觸面的特性由泥皮決定，對泥漿護壁成墻工藝建造的土石壩進行應力變形分析，應考慮泥皮的影響。同時也反映了基于多點約束的接觸算法和庫侖定律描述的接觸摩擦可準確地模擬防滲墻與堰體的相互作用。

    3.3防滲墻與上游側堰體脫開的原因

    跟蹤防滲墻側堰體水平向應力的過程，當防滲墻下游抽水到高程20m時，上游側堰體的水平應力接近為0MPa。表明在上游水位上升而下游抽水的作用下，防滲墻與上游側堰體脫開，與圍堰拆除時觀測的性狀一致；防滲墻下游側堰體的水平應力隨深度基本呈線性關系，近似等于防滲墻承受的水壓力與上游側堰體的水平應力之和。

    3.4防滲墻頂與堰體接觸的模擬方法

    模擬與不模擬防滲墻頂與堰體的接觸得到的防滲墻。如將防滲墻頂模擬為變形體間的接觸，防滲墻的沉降量偏大；不模擬防滲墻頂與風化砂的接觸，防滲墻的沉降較小；當塑性混凝土防滲墻頂沖切入與之接觸的風化砂，接觸壓力和接觸變形介于上兩種情況之間。可將墻體橫截面范圍上部風化砂柱體的自重施加于墻頂近似模擬，也可考慮該柱體邊界的抗剪強度；如考慮墻頂風化砂的“土拱效應”，接觸壓力將在一定程度上減小，其作用機理和模擬方法需進一步研究。

4、結論

    總結并分析三峽工程二期深水圍堰的實際性狀及與數值分析的差異，對其進行反分析，探討工程建設中關注的問題：

    (1)得出了圍堰各填料的參數，計算的防滲墻變形形態逼近實測曲線。

    (2)水下拋填砂礫石與風化砂對防滲墻的變形影響較大，而上游石渣和下游戧堤的影響較小。

    (3)在防滲墻上下游側水位升降的作用下，上游側堰體與防滲墻脫開，而下游側堰體的水平應力隨深度基本呈線性關系，近似等于防滲墻承受的水壓力與上游側堰體的水平應力之和。

    (4)水下拋填料的變形模量沿深度不同，其初始密度有明顯的影響，根據拋填的初始密度分層確定變形參數才是合理的。

    (5)泥漿固壁工藝建造的防滲墻側普遍存在泥皮，泥皮決定了接觸面的力學特性并可改善防滲墻的應力狀態；圍堰的應力變形分析應考慮泥皮的影響；二期圍堰防滲墻側泥皮的摩擦角取15°比較合適。

    (6)基于多點約束的接觸算法能準確地模擬防滲墻與堰體的接觸相互作用，接觸摩擦采用庫侖定律描述是合理的。

    (7)設置接觸單元模擬防滲墻頂與堰體的接觸，或將該處模擬為連續體均是不合理的；當塑性混凝土防滲墻沖切人風化砂堰體，其狀態既不是完全的未接觸，也不是變形體間的接觸，實際的接觸壓力和接觸變形介于上述兩種狀態之間，考慮“土拱效應”的作用機理與模擬方法需進一步研究。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)