陜西土木建筑網(wǎng)首頁 > 學(xué)術(shù)研究 > 課題研究 > 三峽工程二期深水圍堰工程性狀反分析研究

摘要：三峽工程二期圍堰是深水與復(fù)雜環(huán)境中土石壩工程建設(shè)的典范，設(shè)計階段曾進行過大量研究，運行階段進行了全過程監(jiān)測，拆除時進行了調(diào)查和試驗分析，發(fā)現(xiàn)圍堰的實際性狀與原來的研究成果存在一定的差異。...

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技術(shù)難題，筆者參與其建設(shè)、運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，多家單位對此進行了長達近20年的數(shù)值計算，在設(shè)計方案的選擇、運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年圍堰拆除時進行了調(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(yīng)力與變形為基礎(chǔ)，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(guān)注的問題，其結(jié)論可供土石壩工程的設(shè)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(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，二期圍堰運行期實測的防滲墻最大豎向壓應(yīng)力在2．3～2．5MPa左右；實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)歷了多個階段，取得了許多重要成果。分析圍堰實際性狀與數(shù)值計算結(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，以實測的防滲墻水平應(yīng)變與位移為目標函數(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(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，其實質(zhì)是將接觸面作為動態(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)進行計算，得到與墻體實際變形分布相一致的參數(shù)。

    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(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)變計算的豎向應(yīng)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(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值l5°時，計算值與實測值很接近。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，對泥漿護壁成墻工藝建造的土石壩進行應(yīng)力變形分析，應(yīng)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(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，當防滲墻下游抽水到高程20m時，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(yīng)”，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(jié)論

    總結(jié)并分析三峽工程二期深水圍堰的實際性狀及與數(shù)值分析的差異，對其進行反分析，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)，計算的防滲墻變形形態(tài)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(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(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；當塑性混凝土防滲墻沖切人風化砂堰體，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)”的作用機理與模擬方法需進一步研究。

參考文獻

[1]張超然．大江截流及二期圍堰主要技術(shù)問題的決策[J]．中國三峽建設(shè)，1999(5)：8-10

[2]潘家錚．對二期圍堰建設(shè)的評價[J]．中國三峽建設(shè)，l999(5)：1-3

[3]王家柱．二期橫向圍堰工程的幾個主要技術(shù)問題[J]．中國三峽建設(shè)，l999(5)：4—7

[4]包承綱．二期圍堰建設(shè)中若干關(guān)鍵技術(shù)問題的解決[J]．中國三峽建設(shè)，1999(5)：32—36

[5]鄭守仁．三峽工程大江截流及二期圍堰設(shè)計主要技術(shù)問題論述EJ]．人民長江，l997，28(4)：1-4

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

上一篇： 樹根樁與壓密注漿聯(lián)合止水在基坑工程中的應(yīng)用

下一篇： 淺談龍池翠洲花園分體式太陽能熱水器的應(yīng)用