任 苇，王君利，李国英

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安市 710003；2.南京水利科学研究院，南京市 210003)

0 引言

河床巨厚覆盖层是指堆积于河谷之中，厚度大于40m的第四纪松散堆积物［1］，资料显示(见表1)，西藏多布水电站建成以前，软基上中国最高的挡水建筑物为大渡河一级支流瓦斯河上的小天都水电站，该电站装机容量为240MW，泄洪排沙闸高39m［2］。基础覆盖层深度最大的是江边水电站，为109m，装机容量为330MW，闸坝最大高度32m［3］。国外覆盖层基础上修建重力式混凝土闸坝资料较少，原苏联的古比雪夫水电站位总装机容量为2300MW，最大坝高为45m，基础为48m厚黏土层［4］，工程效果良好。

表1 国内外部分深厚覆盖层上水电建筑物统计表Table 1 Statistics of hydropower structures built on giant-thick overburden both at home and aboard

在中国西南地区，特别是西藏地区河床覆盖层分布尤为广泛，一般厚度均在100m以上，局部地区厚度可达300～600m不等，该区域覆盖层分布规律性差，结构和级配变化大［5］，这些覆盖层上重力闸坝的沉降控制问题突出，本文依托西藏多布水电站(建成照片见图1)，河床挡水厂房坝段高54.3m，基础覆盖层厚度达360m，水库正常蓄水位3076.00m，相应库容6500万m3。电站总装机容量120MW，枢纽工程主要由河床土工膜砂砾石坝、8孔泄洪闸、2孔生态放水孔、发电厂房、左副坝及鱼道等建筑物组成［13］。

图1 多布水电站工程下游建成照片Figure 1 Photo taken at D/S of the Duobu HPP Built

1 沉降控制标准

依据SL 265—2001《水闸设计规范》［14］第8.3.6条的规定，土质地基允许最大沉降量和最大沉降差，应以保证水闸安全和正常使用为原则。天然土质地基上水闸地基最大沉降量不宜超过15cm，相邻部位的最大沉降差不宜超过5cm，对厂房坝段，根据SL 266—2014《水电站厂房设计规范》［15］，非岩基上厂房地基允许最大沉降量和沉降差，应以保证厂房结构安全和机组正常运行为原则。按机组运行安装对土建结构的倾斜率要求，确定厂房上下游控制沉降差不大于4cm，同时参照GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》［16］第5.3.4条的规定复核综合考虑，确定下游沉降差控制标准执行不大于4cm标准是合理的。

2 沉降控制技术

2.1 不同水工建筑物差异化地基处理技术

该工程建筑物中，厂房坝段为最高混凝土建筑物，基底最大压应力0.56MPa，而相邻的泄洪闸高度仅为26.5m，基底最大压应力0.403MPa，相邻建筑物基底应力相差30%，均需要针对不同上部结构及地基条件进行差异化处理。

1～6号泄洪闸基础处理参考石佛寺、福堂、阴坪、金康等类似工程经验，采用振冲碎石桩方案进行基础处理。采用ZCQ-132kW振冲器，实际桩径为1.5m，等边三角形布置，间距2.5m，面积置换率为0.16，单桩竖向抗压静载荷试验的承载力特征值为942kPa，检测的3根浅层平板静载荷试验的地基承载力特征值为380kPa。试验结果表明单桩承载力、地基承载力满足设计要求。7～8号泄洪闸及生态放水孔处于强弱地基处理的过渡段，回填后基础进行旋喷桩处理。

厂房坝段最大高度54.3m，2个机组为一个坝段，厂房坝段沿顺水流方向可视为三部分：进水口段、机组段、尾水管段。厂房地基为砂砾石层。厂房属于挡水建筑物，垂直、水平承载力大，同时受机组振动影响较大 ，为此，该工程引入建筑行业长短桩设计理念，原灌注桩作为长桩，桩长25m；灌注桩间增设旋喷桩作为短桩，旋喷桩设计桩长10m，间排距2.2m，经复核满足设计要求。现场灌注桩静载试验显示，单桩承载力达到1200t，大于设计要求的900t。

2.2 混凝土分区限高差浇筑沉降控制技术

不考虑施工顺序时，根据沉降计算分析最大沉降量约8.2cm，总沉降量均满足规范允许15cm的控制标准，但相邻建筑物最大沉降差为3.9cm，虽然满足5cm的沉降差限值，但仍然偏大，易造成止水变形破坏，本文提出了一种混凝土分区限高差浇筑变形控制技术，确保各建筑物沉降差均能满足设计要求。结合实际施工条件，提出施工工序为：厂房坝段首先施工至3062.00m，然后施工上下游挡墙及墙后填土，最后依次施工泄洪闸、左副坝、厂房上部，同时确保各建筑物浇筑顶部高差不超过6m。

2.3 超深厚软基适应变形止水组合关键技术

为解决该工程软基变形带来的防渗墙间止水可靠连接关键技术难题，创新组合了一套理论——“广义塑性计算理论”、一套标准——“水工建筑物止水分区检查处理标准”、四项发明——“一种防渗墙顶部凹槽止水结构”［17］、“连接板与防渗墙缝间连接的SR止水结构及其止水方法”［18］、“一种水电站厂房连接板基础群孔回填灌浆工艺”［19］、“一种混凝土防渗墙”［20］等组合关键技术。

3 考虑应力路径的广义塑性本构模型三维有限元应力应变分析

3.1 考虑应力路径的广义塑性本构模型理论

多布水电站左岸混凝土闸坝建基于开挖后的覆盖层上，基础地面以上开挖的土层厚度达61m，其土体应力大于建筑物加载引起的附加应力，本次分析采用广义塑性理论，该模型的优势在于能够反映覆盖层土体的强度非线性、剪胀非线性特征，能够适应复杂的应力加载路径，并能够考虑土体的加载历史，客观反映土体的超固结特性。该模型建立的过程如下：

在弹塑性模型中，总应变增量可以分解为弹性应变增量和塑性应变增量如式(1)：

式中 ∆εij——总应变增量；

∆εeij——弹性应变增量；

∆εpij——塑性应变增量。

粗粒土的应力应变关系可以表示为：

式中∆σ——应力增量；

Dep——弹塑性矩阵。

广义塑性模型的弹塑性矩阵可以表示为：

式中De——弹性矩阵；

Dp——塑性矩阵；

ngL/U——加载或卸载时的塑性流动方向；

n——加载方向；

HL/U——加载或卸载时的塑性模量。

（1）塑性流动方向。

广义塑性模型中加载时的塑性流动方向为 ：

为了模拟所谓的粗粒土“卸载体缩”现象，将土体处于卸载时的塑性流动方向定义为：

陈生水等人建议，对于土石材料，为了能够反映剪胀性随压力的非线性减小规律， 推荐采用下式：

式中Md——材料由剪缩向剪胀过渡的相变应力比，α一般取0.5。

式中ψ——考虑了颗粒破碎的剪胀特征摩擦角；ψ0和 ∆ψ——反映剪胀特征摩擦角变化的参数。

（2）加载方向定义。

加载方向可以定义为式(9)：

其中，df可以定义为：

根据邓肯等人提出堆石料强度非线性公式：

式中ϕ——内摩擦角；

ϕ0和∆ϕ——反映剪胀特征摩擦角变化的参数。

（3）塑性模量的定义。

对于无黏性颗粒材料，其等向压缩规律可以由式(13)表示：

式中λ——压缩参数；

κ——回弹参数；

m——一个材料参数；

pa——大气压力；

p0——参考压力。

土石材料广义塑性模型中，弹性模量建议为式（14）：

其中：泊松比υ一般认为是常数0.3。

塑性模量的定义是根据等向压缩试验的模量再加入考虑了剪切破坏的项得到的，根据Nakai的建议，砂土或者是粗粒土的等向压缩规律可以由式(13)描述。

等向压缩过程中的塑性模量可以由上式取微分形式得到，即对式(13)微分得到下式：

考虑到土颗粒的剪胀性和剪切效应后，可以将式(15)改进为一个半经验的塑性模量表达式，表达为下式：

式(16)是在对多组粗粒土预测计算中逐步改进得到的，通过试验验证表明上式对粗粒土各应力路径（如常规三轴、等P应力路径、等应力比路径）均能较好描述。

广义塑性模型的建立除了反映单调加载下材料的力学性质外，还具有反映材料复杂加载、卸载下力学行为的能力，可反映土体的加载历史（如超固结、循环加卸载等应力路径），但是需要对不同的加载状态采用不同的塑性模量形式。通常，卸载模量和再加载模量是连加载模量的基础上改造得到的。一般地，土体卸载后的再加载模量可以定义为式（17）：

其中：

式（17）对式（16）的改造是基于两方面的考虑。新加第一项HDM是为了反映卸载—再加载时塑性模量增大的现象即土体变硬，它就相当于在边界面模型中的映射现象。新加的第二项Hden是为了反映不断地循环加载时塑性模量随着塑性应变累积逐步增大，塑性应变逐步累积并达到稳定的“棘轮效应”，这一项在边界面模型中对应于正常固结屈服面在循环过程中的逐步扩张，这里沿用土力学中概念定义覆盖层超固结参数OCR=σz,max/σz，其中σz,max为历史最大竖向应力，σz为当前竖向应力。

同时，应该定义一个土体卸载时的塑性模量以反映土体在卸载时产生的变形，卸载模量可以定义为：

以上各式中，γDM、γd、ηu为三个反映循环加载的参数，这三个参数的确定需要根据加卸载试验得到。

通过以上的定义不难看出广义塑性模型的优势，其不但能够反映土体单调加载时的应力路径，而且能够在一定程度上反映土体的加载历史。由式（17）可以看出，当历史最大应力为当前应力时再加载，模量与初始加载模量相同，但是当历史最大应力大于当前应力状态时再加载模量则大于初始加载模量，能够反映出超固结土模量增高的特点。同时也可以直接初始状态中定义超固结度指标考虑覆盖层地基开挖形成的类超固结特性。

3.2 考虑应力路径的广义塑性本构模型理论

三维计算成果表明，竣工期和蓄水期混建筑物最大沉降量为74mm，相邻建筑物沉降差最大值为16mm。另外，现场监测成果表明，多布水电站采用的施工次序能够有效控制建筑物之间的沉降差，基础处理后，枢纽建筑物实测最大沉降量为69mm，发生在安装间坝段，厂房最大沉降量为66mm，相邻建筑物沉降差最大值为26mm，厂房上下游沉降差最大值1.3cm，均在设计预期范围内，即混凝土建筑物单体沉降不超过150mm，相邻坝段沉降差不超过50mm，厂房上下游沉降差不超过40mm的设计控制指标。各建筑物沉降差满足中国《水闸设计规范》（SL 265—2001）要求。根据多布水电站施工及运行一年的沉降监测数据，进行了数值模型计算结果与现场监测数据验证研究，对比结果表明，监测数据与计算成果基本一致。

4 结论

本文依托复杂巨厚覆盖层上最高闸坝多布水电站工程，针对复杂巨厚覆盖层高闸坝的沉降控制关键问题进行深入论述，提出了能够保证机组稳定运行和结构安全的不均匀沉降和沉降标准，主要关键技术包括不同水工建筑物差异化地基处理技术措施和范围、混凝土分区限高差浇筑沉降控制技术和随层浇筑连续不间断变形监测等系列关键技术。另外，文章创新性提出了考虑应力路径的广义塑性本构模型，该模型能够反映覆盖层土体的强度非线性、剪胀非线性特征，适应复杂的应力加载路径，客观反映土体的超固结特性，根据多布水电站施工及安全运行一年的沉降监测数据，结合数值模型计算结果对比表明，监测数据与计算成果基本一致，表明研究所采用的本构模型和计算方法是有效和合理的，采取的工程措施和处理范围是合适的，为同类工程提供了有效的分析思路。