東莊拱壩基礎加固措施效果分析

楊軍義 邢建營 聶章博 王惠芹

摘 要：拱壩基礎加固是保證壩肩穩定和拱壩安全的重要工程措施，以東莊拱壩壩基加固措施為研究對象，系統模擬壩肩巖體中斷層、夾泥裂隙、寬大裂隙和相應的加固措施，采用彈塑性本構對其壩基加固效果進行了有限元分析。計算結果表明：基礎加固措施對壩體位移和應力的最大值影響很小，但在一定程度上使壩體以及建基面的屈服區減小，改善了壩體受力；基礎加固措施對拱壩壩體的塑性區影響不大，但是基礎加固后建基面屈服區明顯減小，基礎加固措施明顯改善了壩基的受力狀態，基礎加固措施對于斷層ｆ５ 和夾泥裂隙Ｒｎｊ３ 的屈服區體積影響相對較小，對于寬大裂隙Ｌ２２ 的屈服區體積影響較為顯著。東莊拱壩基礎加固措施改善了壩體和壩基受力、提高了壩基的穩定性。

關鍵詞：混凝土拱壩；基礎加固；彈塑性本構；東莊拱壩

中圖分類號：ＴＶ６４２．４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２８

引用格式：楊軍義，邢建營，聶章博，等．東莊拱壩基礎加固措施效果分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：１５６－１６０．

０ 引言

拱壩是一種壩體與基礎聯合承載的空間殼體水工建筑物，行業內一直高度重視拱壩的基礎加固處理?！痘炷凉皦卧O計規范》（ＳＬ ２８２—２０１８）中明確指出“壩基處理設計應根據壩址地基條件和基巖物理力學性質，通過拱壩應力分析和穩定分析，并考慮相鄰建筑物的布置、施工技術等因素，選擇安全、經濟和有效的處理方案”。特高拱壩基礎如果分布有復雜斷層、軟弱帶等不利結構面，易削弱地基完整性，引起基礎非協調變形，并造成高拱壩局部開裂或失穩［１］ 。二灘拱壩左岸局部壩段的基礎存在未完全處理的軟弱帶巖體，運行期非協調變形導致壩體局部開裂［２］ 。Ｋｏｌｎｂｒｅｉｎ拱壩壩基附近存在軟弱破碎帶，前期未充分考慮相應的工程措施，蓄水后壩踵出現開裂，后期對拱壩壩體和軟弱破碎帶進行了系統處理［３］ 。目前，壩肩結構面加固處理效果分析的方法主要有剛體極限平衡分析法、地質力學模型試驗法和數值計算法等。剛體極限平衡分析法主要用于分析壩肩結構面對壩肩穩定性的影響。地質力學模型試驗法一定程度上能夠模擬壩肩復雜結構面及其加固措施，可直觀研究基礎變形、超載開裂、破壞全過程［４］ 。在數值計算方面，結構面模擬主要基于理想彈塑性有限元理論，采取參數弱化的實體單元進行拱壩壩體和壩基彈塑性分析，該方法目前已用于國內外多座高拱壩穩定性評價與基礎加固效果分析［５－７］ 。

陜西省東莊水利樞紐工程壩址位于涇河干流最后一個峽谷段出口以上２９ ｋｍ 處，其左岸為陜西省淳化縣車塢鎮，右岸為陜西省禮泉縣叱干鎮。該工程是國家１７２ 項節水供水重大水利工程之一，是黃河水沙調控體系中的重要支流水庫，是黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略實施以來第一座開工建設的大型節點水庫。工程控制流域面積４．３２ 萬ｋｍ２，最大壩高２３０ ｍ，總庫容３２．７６ 億ｍ３，開發任務以防洪減淤為主，兼顧供水、發電及改善生態等綜合利用。樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發電建筑物等組成。

東莊水利樞紐工程場地處于鄂爾多斯地塊南緣，屬于區域穩定性較好的工程場地，壩址河谷窄深，基巖裸露，巖性為奧陶系中統馬家溝組（Ｏ２ｍ）厚層巨厚層灰巖，巖層走向ＮＷＷ，產狀１９０°～２１０°∠３０°～５５°，地質構造簡單，巖石強度高，巖石風化卸荷深度較淺，巖體質量以Ⅱ類為主。盡管壩址區無較大型斷層、褶皺等構造發育，但左壩肩沿建基面發育Ｌｎｊ１ 夾泥裂隙，右壩肩分布有ｆ５ 斷層、Ｒｎｊ１、Ｒｎｊ２、Ｒｎｊ３ 夾泥裂隙和Ｌ２２ 寬大裂隙。水庫蓄水后壩體將上游水沙荷載傳遞到建基面，左岸建基巖體可能發生壓剪變形，根據壩肩穩定性計算結果，ｆ５ 斷層和Ｒｎｊ３ 夾泥裂隙作為側滑面，Ｌ２２ 寬大裂隙作為凌空面，可以組合出不滿足抗滑穩定要求的滑動巖體。參考烏東德、白鶴灘、大崗山和錦屏一級等高拱壩壩基處理經驗，結合拱壩壩肩穩定性計算結果，對東莊拱壩壩基關鍵性結構面ｆ５ 斷層、Ｒｎｊ３ 夾泥裂隙和Ｌ２２ 寬大裂隙采取了混凝土網格梁置換。上述處理措施的依據是剛體極限平衡法計算結果，為了進一步驗證處理措施的合理性，非常有必要采用非線性有限元法從拱壩基礎位移、應力均化、屈服區及超載能力等方面進一步分析壩肩關鍵性結構面加固處理效果，為最終的壩肩結構面處理方案提供支撐。

１．２ 有限元計算模型

計算模型中的坐標系以壩頂拱冠梁上游點為坐標原點，向左岸為Ｘ 軸正方向，向下游為Ｙ 軸正方向，豎直向下為Ｚ 軸正方向。參考國內外同類工程經驗，上游模擬范圍應不小于１．５ 倍壩高，下游模擬范圍應不小于３ 倍壩高，左右兩岸模擬范圍應不小于２ 倍壩高，壩基模擬深度應不小于１．５ 倍壩高，壩頂高程以上模擬１ 倍壩高以內壩坡。整個模型的模擬范圍為９００ ｍ×１ ０５０ ｍ×６７６ ｍ，其中：Ｘ 軸方向－４５０～４５０ ｍ，Ｙ軸方向－３５０～７００ ｍ，Ｚ 軸方向（高程）２２４～９００ ｍ。模型網格采用八節點六面體和六節點五面體單元，網格節點總數為２０３ ２１０，單元總數為１９０ ４３５，其中壩體單元總數為１０ ５０４。整體有限元計算模型網格如圖１ 所示。

對于斷層的模擬，左岸主要模擬了Ｌｎｊ１，右岸模擬了Ｒｎｊ１、Ｒｎｊ２、Ｒｎｊ３、ｆ５、ｆ５６ 和Ｌ２２，各結構面與壩體的空間位置關系如圖２ 所示。斷層的有限元網格及其與壩體網格的位置關系如圖３～圖５ 所示。

２ 計算荷載及參數

２．１ 計算荷載及其施加方法

計算荷載包括地應力、壩體自重、水荷載、泥沙荷載、溫度荷載和滲流荷載。地應力只考慮巖體自重引起的地應力場。壩體自重的施加按照封拱灌漿時間依次激活各層壩體單元實現。水荷載為正常蓄水位（７８９ ｍ）工況下相應的荷載，以面力的形式施加到上游壩面上，涇河為多沙河流，正常蓄水位工況下相應的渾水容重為１３．８ ｋＮ／ ｍ３。泥沙荷載也是正常蓄水位工況下淤沙高程（７２５ ｍ）相應的荷載，淤沙浮容重為１０ ｋＮ／ ｍ３，淤沙內摩擦角為１６°，泥沙荷載的施加方式同水荷載的。按照《混凝土拱壩設計規范》要求，溫度荷載只需要模擬平均溫差和等效線性溫差，溫度荷載沿壩厚度方向進行線性插值。本次計算選擇基本工況為上游正常蓄水位＋壩體自重＋泥沙＋下游水位＋設計溫降。

２．２ 材料參數

根據現場原位試驗結果，壩基巖體結構面力學參數見表１，根據混凝土配合比試驗結果，壩體、墊座和抗剪洞力學參數見表２。

３ 基礎加固措施效果評價方法

拱壩主要通過壩體將承受的荷載傳遞給兩岸基礎巖體，由于壩基、拱肩槽和下游抗力體出現了多個相互交錯的斷層和夾泥裂隙，因此巖體的力學參數有一定程度的降低，特別是巖體的變形模量和承載能力的減小，對大壩的變形、應力和壩肩巖體的抗滑穩定均有不利影響。對基礎采取置換處理的加固措施，對軟弱結構面的置換能夠使壩肩穩定，不過仍需考慮基礎處理對壩體變形、壩體應力、拱壩超載能力和基礎變形的影響。通過對比采取基礎加固措施后上述指標的改善情況來進行加固效果的評價。關于拱壩超載能力的評價方式有強度儲備系數法和超載法兩種［８］ 。從降低巖體力學參數ｃ 和φ 的方式上，強度儲備系數法又分為等比例降強和不等比例降強。國內外試驗成果表明，φ 值比較穩定，變化的幅度較小，而ｃ 值受外界多種因素的影響較大，比較不穩定，變化的幅度較大，因此把ｃ 和φ 按照等比例降低明顯不符合實際，然而采用不等比例降低強度雖然更符合實際，但是ｃ 和φ 究竟按照何種比例降低是一個值得商榷的問題。超載法包括三角形超載法和矩形超載法，國內學者通過論證后認為三角形超載更加合理［９］ ，因此本研究采用三角形超載法進行拱壩超載能力計算。

４ 計算結果分析

４．１ 加固措施對壩體位移的影響分析

東莊拱壩加固和不加固方案正常工況大壩下游壩面位移情況見表３。根據位移計算結果可知，采取和不采取基礎處理措施，壩體位移分布的規律相同?；A處理措施使大壩橫河向、順河向位移減小，但減小的幅度不大，并且順河向位移減小的幅度大于橫河向位移的。采取基礎處理措施時，左拱端順河向位移和橫河向位移未發生變化，原因是基礎處理措施全部位于右岸。右拱端順河向位移最大減小值為０．１ ｍｍ，橫河向位移最大減小值為０．１ ｍｍ。拱冠順河向位移最大減少值為０．１ ｍｍ，橫河向位移未減小。４．２ 加固措施對壩體應力的影響分析東莊拱壩加固和不加固方案正常工況壩體應力最大值及其分布見表４。

由計算結果可知，東莊拱壩基礎處理措施使得壩體應力有所改善，但其對壩體應力的最大值影響很小?；A處理后，壩基的變形減小，對壩體約束增強，使得基礎處理后下游壩面主壓應力略微增大，由１２．９２ ＭＰａ 增大到１２．９３ ＭＰａ。４．３ 加固措施對壩基屈服狀態的影響分析東莊拱壩基礎采取加固措施后正常工況以及各超載工況下建基面的屈服區如圖６ 所示。根據計算結果可知：基礎采取加固措施后，東莊拱壩建基面（壩體）屈服區略有減少，建基面（壩基）的屈服區在高倍超載情況下明顯減小，這表明基礎加固措施改善了壩基的受力狀態。

４．４ 加固措施對整體穩定性的影響

東莊拱壩基礎不采取加固措施和采取加固措施兩種方案下，超載過程中的壩體和壩基屈服區體積見表５，超載過程中斷層ｆ５、夾泥裂隙Ｒｎｊ３ 和寬大裂隙Ｌ２２屈服區體積見表６。

由計算結果可知：基礎處理后，各超載工況下壩基屈服區體積也略有減少，壩體屈服區體積在超載時略有減小?；A處理措施對于斷層ｆ５ 和夾泥裂隙Ｒｎｊ３的屈服區體積影響較小，對于寬大裂隙Ｌ２２ 的屈服區體積影響較顯著。正常工況下， ｆ５ 屈服區體積從１ ９０３ ｍ３降低到１ ８７７ ｍ３，僅降低了１．４％；Ｒｎｊ３ 屈服區體積從２ ０４３ ｍ３ 降低到１ ７５１ ｍ３，降低了１４．３％；Ｌ２２ 屈服區體積從１ ２７８ ｍ３ 降低到２３５ ｍ３，降低了８１．６％。３．５ 倍超載下，ｆ５ 屈服區體積從３ ３９０ ｍ３降低到３ ０３８ ｍ３， 降低了１０． ４％； Ｒｎｊ３ 屈服區體積從３ ４３４ ｍ３降低到３ ３７９ ｍ３，僅降低了１．６％；Ｌ２２ 屈服區體積從３ ０３９ ｍ３降低到２ ２５１ ｍ３，降低了２５．９％。其余超載倍數各結構面的屈服區體積也有所降低。綜上所述，基礎處理措施降低了斷層ｆ５、夾泥裂隙Ｒｎｊ３ 和寬大裂隙Ｌ２２ 的屈服區體積，提高了壩基的穩定性，表明基礎處理措施是比較有效的。

５ 結束語

正常工況下，基礎加固處理措施對壩體位移和應力的最大值影響很小，但在一定程度上使壩體以及建基面的屈服區減少，改善了壩體受力。超載法分析基礎加固前后拱壩塑性區的變化情況表明，基礎加固措施對拱壩壩體的塑性區影響不大，但在高倍超載情況下，基礎加固后的建基面屈服區明顯減小，這表明基礎加固措施明顯改善了壩基的受力狀態?；A加固措施對于斷層ｆ５ 和夾泥裂隙Ｒｎｊ３ 的屈服區體積影響相對較小，對于寬大裂隙Ｌ２２ 的屈服區體積影響較為顯著。綜合上述計算分析結果，東莊拱壩基礎加固措施改善了壩體和壩基受力，提高了壩基的穩定性，因此采取的基礎加固措施是比較有效的。

參考文獻：

［１］ ＬＩＮ Ｐ，ＺＨＯＵ Ｗ Ｙ，ＬＩＵ Ｈ Ｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｒａｃｋ?ｉｎｇ， Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ， ａｎｄ Ｏｖｅｒａｌｌ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＸｉａｏｗａｎＳｕｐｅｒ?Ｈｉｇｈ Ａｒｃｈ Ｄａｍ［Ｊ］．Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｒｏｃｋ Ｅｎｇｉ?ｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，４８（２）：８１９－８４１．

［２］ 中國電建成都勘測設計研究院有限公司．雅礱江二灘水電站拱壩３３＃／３４＃壩段裂縫分析研究［Ｒ］．成都：中國電建成都勘測設計研究院有限公司，２００４：８０－８２．

［３］ 林鵬，石杰，周華，等．烏東德壩肩結構面影響及協調加固穩定分析［Ｊ］．巖石力學與工程學報，２０１６，３５（增刊２）：３９３７－３９４６．

［４］ 周維垣，林鵬，楊若瓊，等．高拱壩地質力學模型試驗方法與應用［Ｍ］．北京：中國水利水電出版社，２００８：１１８－１８８．

［５］ 商開衛，張公平．大崗山水電站右岸壩肩邊坡深層加固研究［Ｊ］．人民黃河，２０１８，４０（１）：１３８－１４４．

［６］ 寧宇，徐衛亞，鄭文棠，等．白鶴灘水電站拱壩及壩肩加固效果分析及整體安全度評價［Ｊ］．巖石力學與工程學報，２００８，２７（９）：１８９０－１８９８．

［７］ 楊寶全，陳媛，張林，等．基于地質力學模型試驗的錦屏拱壩壩肩加固效果研究［Ｊ］．巖土力學，２０１５，３６（３）：８１９－８２６．

［８］ 周偉，常曉林，唐忠敏，等．溪洛渡高拱壩漸進破壞過程仿真分析與穩定安全度研究［Ｊ］．四川大學學報（工程科學版），２００２，３４（４）：４６－５０．

［９］ 熊堃，何蘊龍，肖偉．桑郎拱壩整體穩定安全度數值分析［Ｊ］．武漢大學學報（工學版），２００７，４０（４）：２２－２５，３０．

【責任編輯 張 帥】