深厚覆盖层灌浆帷幕体与坝基变形协调数值计算分析研究

肖德序

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 研究背景

在深厚覆盖层上建土石坝，基础防渗形式多以封闭式帷幕为主，当覆盖层很深时，受施工机械设备和施工工艺的控制，采用基础灌浆成帷幕体，是比较现实的处理方式。开展对深厚覆盖层灌浆幕体的应力和变形状况研究，幕体与覆盖层、廊道以及坝体防渗结构之间的变形和应力不连续变化情况研究工作，了解帷幕结构的工作状态，是本文研究的主要目的。

2 研究路线和方法

深厚覆盖层与一般浅覆盖层的主要区别在于其形成条件复杂，体现为多层性，西部地区河床深覆盖层多表现为：（由下而上） 冰积层——淤泥或粉土层——崩积及冲积混杂堆积层——粉土层——卵石砾石层——现代冲积砂卵砾石层组成，或由崩积架空的块石层与冲积砂卵石层交互组成，且孔隙率和透水率较浅埋覆盖层小。

在实际工程建设中，表层的架空块石层多不作为建坝基础，而是选择稳定性、强度、密实度相对较好的冲积砂卵石层作为建坝基础，对于可能发生液化或其它严重稳定和变形问题的地基也要进行严格的处理才能作为建坝基础，因此在分析中对覆盖层分层进行了适当简化，选择典型分层。采用数值分析的方法对帷幕体、地基应力和变形状况进行分析。

3 深厚覆盖层灌浆帷幕体与坝基变形协调数值分析计算

3.1 计算软件

采用MIDAS/GTS 软件通过MIDAS GTS 有限元程序进行分析，按E－V非线性本构关系进行结构的应力应变分布情况分析。

3.2 计算模型

本文主要分析帷幕体自身刚度、厚度、深度及其渗透性对其协调性的影响。有限元坝体模型见图1～3：坝基模型大小根据试算进行确定，以边界条件对关注部分区域不产生质的影响为控制标准。最终确定坝基模型上游边界距坝踪500 m，下游边界距坝趾500 m，底部边界距坝基420 m。模型共划分单元32341 个，节点32552 个。

图1 100 m 坝体典型断面

图2 100 m 有限元坝体模型

图3 100 m 有限元整体计算模型

3.3 压应力分析

计算成果显示：幕体弹性模量由200 MPa 增加至2000 MPa的过程中，整体压应力变化不大。但在局部的应力分布中，弹性模量2000 MPa 工况中的应力集中度较200 MPa 的要强，大应力范围适当要大，应力量级没有大的变化，应力集中程度相应增加，详见图4～5。

从计算成果表及其变化趋势图可以知道，100 m 级坝中随着幕体弹性模量的增加幕体等压应力量级分布面积随其变化的敏感性减弱，并逐渐趋于稳定。其中，当幕体强度小于0.8 GPa 时，幕体等压应力量级的分布面积相对较为敏感，具体详见图6。

图4 压应力分布图（100 m 200 MPa）

图5 压应力分布图（100 m 2000 MPa）

图6 100 m 幕体压应力面积随幕体强度变化趋势图

3.4 剪应力分析

在100 m 级坝模型计算中，其剪应力大于0.3 MPa 的集中区域在坝基的上下游，而不是集中在幕体上，若存在剪切破坏首先发生在幕体以外的其它部位，但不存在剪应力超过0.4 MPa的区域，如图7。

图7 100 m 级坝基剪应力分布图

4 强度变形协调分析

4.1 沉降梯度范围分析

在100 m 级坝的计算成果中，位移梯度较大的范围在幕体分界面附近3.0 m 范围内，即幕体分界面内1.0 m、分界面外2.0 m 范围内的位移梯度比较大。其中，位移梯度超过0.5 mm/2 cm 的宽度约0.5 m，其余较大位移梯度范围的位移梯度均小于0.5 mm/2 cm，最大位移梯度超过1 mm/2 cm，接近1.5 mm/2 cm。突变点位置、梯度较大区域不随幕体强度的变化而变化，梯度变化弧度存在一定的变化，但变化幅度不大，基本可以忽略，详见图8。

图8 位移梯度随幕体强度变化趋势图

4.2 沉降梯度最大值分析

在100 m 级坝的计算分析中，最大位移梯度随幕体强度的增大而增加，但增加的幅度不大，基本可以忽略，详见图9。

图9 最大位移梯度随幕体强度变化趋势图

4.3 沉降梯度突变点分析

在100 m 级坝中，梯度变化突变点在幕体分界面上，其梯度较大值分布在分界面附近3.0 m 范围，幕体内部1.0 m，覆盖层内2.0 m。详见图10。从图可以得出如下结论：

1）较大位移梯度范围随幕体强度、厚度、深度的变化存在-1.0～2.7 mm/2 cm 的变化，相对位移值，其变化的弧度不大；随高程的变化，较大位移梯度范围由±2.7 mm/2 cm 逐渐变小至±0.4 mm/2 cm，在接近幕体脚部时逐渐增大至±1.2 mm/2 cm。

2）最大位移梯度随幕体强度的增大而增加，但增加的幅度不大，基本可以忽略。在100 m 级坝的计算分析中，最大位移梯度随幕体强度的增大而增加，但增加的幅度有限。

3）较大位移梯度突变点随幕体强度、厚度、深度、高程的变化基本不发生变化。

4）梯度的大小随幕体强度、厚度、深度、高程等参数均存在一定的波动，但波动的弧度不大，基本可以忽略。

图10 位移梯度随幕体强度变化趋势图

5 结论

1）幕体压应力、剪应力、最大位移、竖直位移梯度对幕体的强度、厚度、深度三因素敏感性不强，在计算工况范围内的变化幅度小于总数的5%。

2）幕体压应力、剪应力的量级主要取决于坝基以上载荷的大小，对其自身参数的敏感性相对要低。

3）幕体剪应力除局部应力集中点较大外，其余部位剪应力量级及其规模远小于坝基覆盖层幕体以外的剪应力及其规模。

4）位移梯度随高程的变化，较大位移梯度范围先逐渐变小，在接近幕体脚部时逐渐增大。

5）较大位移梯度突变点随幕体强度、厚度、深度、高程的变化基本不发生变化。100 m 级坝的位移梯度突变点在幕体分界面上。

6）较大位移梯度区域随着坝基上部荷载的增大而增加，在100 m 级坝中，位移梯度超过1 mm/2 cm 的区域较小，不超过0.5 m。