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(xué)，浙江杭州310027　長江科學(xué)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(guān)系三峽工程成敗的關(guān)鍵建筑物，“七五”和“八五”攻關(guān)期間，長江科學(xué)院聯(lián)合多家單位攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，筆者參與其建設(shè)、運(yùn)行至拆除全過程的研究與監(jiān)測工作。在復(fù)雜地基和深水環(huán)境中修筑圍堰，防滲墻的應(yīng)力與變形狀態(tài)是關(guān)鍵問題，多家單位對此進(jìn)行了長達(dá)近20年的數(shù)值計(jì)算，在設(shè)計(jì)方案的選擇、運(yùn)行期的變形與安全判斷等方面發(fā)揮了重大作用，而監(jiān)測到圍堰的實(shí)際性狀與數(shù)值分析的結(jié)果尚存在一定差異。2002年圍堰拆除時(shí)進(jìn)行了調(diào)查、取樣和相關(guān)參數(shù)的測試，使得對防滲墻的應(yīng)力與變形有了更真實(shí)和全面的認(rèn)識(shí)。

    筆者分析了二期圍堰的實(shí)際工程性狀，并以上游防滲墻實(shí)際的應(yīng)力與變形為基礎(chǔ)，采用基于多點(diǎn)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(shí)際性狀進(jìn)行了反分析，探討了工程中多年關(guān)注的問題，其結(jié)論可供土石壩工程的設(shè)計(jì)研究參考。

1、三峽工程二期圍堰實(shí)際性狀

    二期圍堰的典型斷面見圖1，上游防滲墻上下游側(cè)的水位及應(yīng)變過程見圖2，根據(jù)監(jiān)測資料擬合的上游防滲墻水平位移與應(yīng)變沿高程的分布。圍堰拆除時(shí)發(fā)現(xiàn)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(fā)生過相對位移，另外，二期圍堰運(yùn)行期實(shí)測的防滲墻最大豎向壓應(yīng)力在2．3～2．5MPa左右；實(shí)測的墻體豎向位移不到l0cm；土壓力監(jiān)測結(jié)果顯示防滲墻與上游側(cè)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(yīng)力變形的研究經(jīng)歷了多個(gè)階段，取得了許多重要成果。分析圍堰實(shí)際性狀與數(shù)值計(jì)算結(jié)果差異的因素在于堰體填料的參數(shù)、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(qū)等方面。反分析立足解釋圍堰的實(shí)際性狀并回答工程建設(shè)中一直關(guān)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(shí)測的防滲墻水平應(yīng)變與位移為目標(biāo)函數(shù)反分析填料的參數(shù)，探討初始密度對水下拋填材料的影響及參數(shù)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(shù)的數(shù)值分析與實(shí)測防滲墻豎向應(yīng)力的分布相對比，分析泥皮的影響與參數(shù)。通過防滲墻頂與堰體的不同接觸狀態(tài)，研究墻體的沉降規(guī)律，探討該部位接觸的模擬方法。研究防滲墻側(cè)堰體的水平應(yīng)力過程與分布規(guī)律，并以此分析上游側(cè)堰體與墻體脫開的原因。反分析采用較密的有限元網(wǎng)格，沿上下游方向?qū)⒎罎B墻分為5層單元，共劃分5482個(gè)二次等參元，通過一系列的敏感性正分析，逐次逼近實(shí)測成果。采用了圍堰實(shí)際的上下游水位過程和堰體分區(qū)，防滲墻底端設(shè)置30cm厚的沉渣。

    設(shè)置Goodman單元模擬防滲墻與堰體的接觸，易導(dǎo)致非正常嵌入和方程組病態(tài)問題。特別是在防滲墻頂部，無論是設(shè)置薄層單元還是Goodman單元，或?qū)�墻頂與堰體間模擬為連續(xù)介質(zhì)，都會(huì)導(dǎo)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(fēng)化砂填料散體將導(dǎo)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(diǎn)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(yīng)力的傳遞采用庫侖定律描述，其實(shí)質(zhì)是將接觸面作為動(dòng)態(tài)邊界施加于接觸體，迭代求得滿足接觸約束條件的應(yīng)力場與變形場。

3、反分析的結(jié)果

    3.1圍堰填料的參數(shù)

    以原技設(shè)參數(shù)為基礎(chǔ)，調(diào)整堰體的主要變形參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到與墻體實(shí)際變形分布相一致的參數(shù)。

    實(shí)測的防滲墻變形曲線在高程20m和40m兩處的反彎點(diǎn)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(diǎn)，不能逼近實(shí)測曲線。將水下拋填砂礫石分層，參數(shù)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(shù)n值對防滲墻變形的形態(tài)影響很大，凡值越大，變形模量隨深度變化越大，根據(jù)初始密度分層確定拋填料的變形參數(shù)較合理。

    堰體各分區(qū)對防滲墻變形的影響是各方關(guān)心的問題。分別將上游石渣、下游戧堤、拋填風(fēng)化砂、拋填砂礫石4種材料的變形參數(shù)K增加30％，可見后兩種材料的參數(shù)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(shù)

    根據(jù)防滲墻應(yīng)變計(jì)算的豎向應(yīng)力與泥皮摩擦角取不同值時(shí)的計(jì)算值�？梢姺罎B墻的豎向應(yīng)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(yàn)值l5°時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測值很接近。泥皮可改善防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)，接觸面的特性由泥皮決定，對泥漿護(hù)壁成墻工藝建造的土石壩進(jìn)行應(yīng)力變形分析，應(yīng)考慮泥皮的影響。同時(shí)也反映了基于多點(diǎn)約束的接觸算法和庫侖定律描述的接觸摩擦可準(zhǔn)確地模擬防滲墻與堰體的相互作用。

    3.3防滲墻與上游側(cè)堰體脫開的原因

    跟蹤防滲墻側(cè)堰體水平向應(yīng)力的過程，當(dāng)防滲墻下游抽水到高程20m時(shí)，上游側(cè)堰體的水平應(yīng)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(cè)堰體脫開，與圍堰拆除時(shí)觀測的性狀一致；防滲墻下游側(cè)堰體的水平應(yīng)力隨深度基本呈線性關(guān)系，近似等于防滲墻承受的水壓力與上游側(cè)堰體的水平應(yīng)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(fēng)化砂的接觸，防滲墻的沉降較�。划�(dāng)塑性混凝土防滲墻頂沖切入與之接觸的風(fēng)化砂，接觸壓力和接觸變形介于上兩種情況之間�？蓪�墻體橫截面范圍上部風(fēng)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(qiáng)度；如考慮墻頂風(fēng)化砂的“土拱效應(yīng)”，接觸壓力將在一定程度上減小，其作用機(jī)理和模擬方法需進(jìn)一步研究。

4、結(jié)論

    總結(jié)并分析三峽工程二期深水圍堰的實(shí)際性狀及與數(shù)值分析的差異，對其進(jìn)行反分析，探討工程建設(shè)中關(guān)注的問題：

    (1)得出了圍堰各填料的參數(shù)，計(jì)算的防滲墻變形形態(tài)逼近實(shí)測曲線。

    (2)水下拋填砂礫石與風(fēng)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(cè)水位升降的作用下，上游側(cè)堰體與防滲墻脫開，而下游側(cè)堰體的水平應(yīng)力隨深度基本呈線性關(guān)系，近似等于防滲墻承受的水壓力與上游側(cè)堰體的水平應(yīng)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(jù)拋填的初始密度分層確定變形參數(shù)才是合理的。

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

    (6)基于多點(diǎn)約束的接觸算法能準(zhǔn)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(shè)置接觸單元模擬防滲墻頂與堰體的接觸，或?qū)⒃撎幠�擬為連續(xù)體均是不合理的；當(dāng)塑性混凝土防滲墻沖切人風(fēng)化砂堰體，其狀態(tài)既不是完全的未接觸，也不是變形體間的接觸，實(shí)際的接觸壓力和接觸變形介于上述兩種狀態(tài)之間，考慮“土拱效應(yīng)”的作用機(jī)理與模擬方法需進(jìn)一步研究。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)