邓理想，吴俊杰，王 景

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

随着新疆水利工程建设的快速发展，建于深厚覆盖层上的水利工程也逐渐增多[1]。然而，复杂的不良地基条件给水利水电工程建设带来一定的困难[2]。本工程位于新疆叶尔羌河道，上游段下坂底河床段覆盖层厚度达到150 m[3]，中段的阿尔塔什水利枢纽工程坝址区覆盖层达到94 m[4]，整条河道覆盖层一般深达也在40～70 m，这种复杂的不良地基条件给工程建设带来一定的困难，由于深厚覆盖层的不均匀性[5]，工程的各结构之间的结构缝不均匀沉降如果控制不好，导致结构缝变形过大，使得止水失效，最终可能产生渗透破坏[6-9]。据统计，近40年，由于深厚覆盖层上建筑物变形控制不当导致失事的水闸和大坝，约占失事工程的25%。另据不完全统计，国外建于软基及覆盖层上的水工建筑物，约有一半事故是由于坝基渗透破坏、沉陷太大或滑动等因素导致的[10-14]。因此，河道段深厚覆盖层上建筑物的变形控制成为目前设计阶段研究内容的重要部分。对南疆莎车县脱贫工作起到积极推进作用的錾高水电站工程来说，安全运行显得更加重要[15]。根据规范要求[16]，认为天然土质地基上的闸室最大沉降量不宜超过15 cm，最大沉降差不宜超过5 cm。特别要注意的是，在永久缝中所采用的止水结构，要能满足在发生相应沉降差时仍能保证止水完好的要求。本文建立泄洪冲沙闸、连接板、防渗墙、护坦模型，覆盖层静力计算模型采用非线性弹性模型即邓肯张E-B模型，动力计算模型采用等效线性黏-弹性模型，残余变形计算模型采用沈珠江5参数模型，来研究因闸室及连接板质量相差较大导致覆盖层永久变形产生的不均匀沉降，得到连接部位铜止水的最大剪切变形量，以及闸室基础覆盖层最大沉降量[17-20]。

1 工程概况

新疆莎车錾高水电站是叶尔羌河干流阿尔塔什以下河段水电规划梯级开发中的第1级电站，为引水式电站，上游为阿尔塔什水利枢纽工程，下游为恰木萨水电站。目前，工程区右岸沿现有道路可达莎车县霍什拉甫乡，霍什拉甫乡现有道路与卡群水电站连接可至莎车县、泽普县；工程区左岸利用甘加特沟道路可达阿尔塔什进场道路，可至莎车县；左右岸施工对外交通比较便利。水库正常蓄水位1 611 m，正常蓄水位相应库容1 656.1×104m3；死水位1 608 m，死库容1 045.1×104m3，调节库容611×104m3，工程等别为Ⅲ等工程，工程规模为中型。工程地震设防烈度为Ⅷ度，工程抗震设防类别为丙类。工程的标准横剖面图及防渗系统大样见图1、图2。

图1 标准横剖面图

图2 防渗系统大样

2 泄洪冲沙闸

本工程泄洪冲沙闸的主要任务是泄洪和冲沙，布置桩号坝0+344.88 m～坝0+456.58 m，坝0+519.20 m～坝0+533.00 m。泄洪冲沙闸位于拦河坝上，闸底板高程为1 595.00 m，闸顶高程为1 614.30 m，共20孔，每孔设一道检修闸门槽和一道工作闸门。检修闸门：闸门采用下游面板，下游封水型式，悬臂轮支承。工作闸门：孔口尺寸4 m×4 m，设计水头16 m。闸门动水启闭,避开振动区控制开度运行，由容量为630/400 kN(启门力/闭门力)的摆动式液压启闭机操作，液压缸安装在1 607.50 m高程的平台上，液压启闭机的控制设备(泵站、油箱、电气设备)布置在1 607.00 m高程的闸顶平台上，泄洪冲沙闸结构与金属结构布置图见图3。金属结构构件具体数量及重量见表1。

图3 泄洪冲沙闸结构与金属结构布置图

表1 泄洪冲沙闸金属结构

3 基本地质条件

錾高水电站工程坝址区位于西昆仑山东部中低山区，叶尔羌河由霍斯拉甫大弯曲转为较顺直段，流向近北东向。坝址为宽U形河谷，左岸有Ⅰ～Ⅳ级阶地分布，Ⅲ、Ⅰ级阶地分布不连续，Ⅱ、Ⅳ级阶地分布相对而言较连续，总体坡度在30°～35°，地形相对较缓。右岸为一北东向延伸的基岩山梁，岸坡自然坡度45°～55°。现代河床500 m左右，发育漫滩、心滩。河床覆盖层为第四系冲积砂卵石，最大厚度55 m为深厚砂砾石覆盖层，主要为砂卵砾石层夹有多层缺细粒充填卵砾石(强渗层)，为强透水层。

4 有限元计算分析

根据规范[16]要求，水闸地基在各种运用情况下均应满足承载力、稳定和变形的要求。水闸地基计算应根据地基情况、结构特点及施工条件进行。同时，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。由于本工程的泄洪冲沙闸位于深厚覆盖层上，闸室属于轴对称结构，传统的二维计算无法准确反映闸室的自重与重心对覆盖层压力及最大沉降的影响，同时无法考虑混凝土结构与覆盖层之间的接触作用。本次计算竣工期、正常蓄水期、正常蓄水期+Ⅷ度地震3个工况下，三维闸室自重+金属结构自重+动水附加质量力+地震边界对覆盖层基础产生的最大沉降变形量及沉降差。

4.1 计算模型

4.1.1 静力模型

砂砾石覆盖层的邓肯-张E-B模型对应的弹性矩阵形式见式(1)[21]，混凝土闸室采用线弹性模型。

(1)

对应的切线弹性模量Et与体积模量B两个弹性参数以及回弹模量见式(2)-式(4)[8]：

以52×31的竖式计算为例，摘录学生错解，如图1、图2。可以看出学生的错因是用第二个因数中的3去乘2，得到的积末位应写在哪里？为什么？这是学生最易出错的地方，也是本课重难点所在。为此，我从算式的意义和直观情境图入手，引导学生从位值制思想去理解“算理”，从而理解乘数中每个数相乘时各自应写在什么位置上，如图3所示。消除学生的困惑，帮助学生真正理清算法，突破本课教学重难点，即“十位上的数依次去乘第一个因数每位上的数”的计算方法。

(2)

(3)

Eur=KurPa(σ3/Pa)n

(4)

其中：Sl为应力水平，由式(5)计算[8]：

(5)

模型中混凝土的静力弹性模量E为30 GPa，动力弹模量为静力弹性模量的1.5倍，泊松比μ=0.167。由于本工程与阿尔塔什水利枢纽工程非常近，因此本工程的静动力学参数均采用阿尔塔什水利枢纽工程覆盖层的试验参数。静力变形参数采用大连理工大学超大型静三轴试验结果[22]，见表2。

表2 砂砾石覆盖层邓肯E-B模型参数表

4.1.2 防渗墙、护坦、连接板接触面模型

对于三维模型中混凝土与砂砾料之间的相对位移，本次采用接触面模型，该模型中两个切线方向刚度分别为[23-24]：

(6)

(7)

接触面本构模型的参数见表3。

表3 接触面计算模型

4.1.3 动力本构模型

(8)

动剪模量与阻尼参数见表4。

表4 砂砾石覆盖层动剪模量与阻尼参数

4.1.4 永久变形计算模型

沈珠江提出土料残余剪应变与残余体应变随应力状态和振次数的关系，即土料永久变形计算模型见式(9)、式(10)[25]：

(9)

(10)

式中：Δεvr为残余体积应变增量；Δγr为残余剪切应变增量；γd为动应变幅值；ΔN为时段增量；N为总振动次数；Sl为剪应力比；C1、C2、C3、C4、C5为坝料残余变形参数。

砂砾石覆盖层残余变形参数见表5。

表5 砂砾石覆盖层残余变形参数

4.2 闸室施工过程模拟

闸室施工期填筑分22步，在施工期过程中分3步。地震动水压力采用附加质量进行模拟。

4.3 闸室模型及边界

本工程闸室、连接板、护坦、防渗墙、覆盖层的网格计算模型见图4，模型结点总数为20 688个，单元总数为14 887个。护坦结点总数为1 806个，单元总数为1 220个；防渗墙结点总数为2 184个，单元总数为1 500，以上所有结构除钢闸门为壳单元，其余均为六面体实体单元。模型覆盖层静力边界条件底部全约束，顺水流、垂直水流面均为法向约束。

图4 闸室段模型的有限元剖分图

4.4 地震动输入

錾高水电站距阿尔水利枢纽工程坝址区直线距离15 km左右，因此本工程的动力参数采用阿尔塔什水利枢纽工程的所有动参数，覆盖层动力边界的地震波输入100年超越概率1%的地震动峰值加速度为440.5 gal，特征周期为0.65 s，竖向震动峰值加速度为顺河向的2/3。根据地震特征参数绘制设计地震标准反应谱，见图5，人工拟合震动时程曲线见图6，持续时长为40 s。

图5 设计地震反应谱与人工拟合反应谱(阻尼5%)

图6 坝址基岩人工拟合地震加速度时程曲线

4.5 计算工况及荷载组合

为了更好地模拟闸室在各工况时的沉降量及结构缝的变形量，本次计算完建期考虑闸室混凝土自重+基础自重+金属结构自重。正常蓄水工况时，还需考虑混凝土与水接触部位的压力、基础底部的扬压力等，同时计算正常蓄水位+地震荷载时考虑水的附加质量力，得出闸室的沉降量和结构沉降差，各工况荷载组合见表6。正常蓄水位的施工工序，按照“基础开挖-地应力平衡-防渗墙施工-基础回填-闸室分层浇筑-金属结构安装-正常运行”6种工序模拟，在水闸施工过程中的变位是逐级进行叠加，地基沉降变形在逐级荷载下呈现出非线性特性。正常蓄水位+地震荷载工况的永久变形是动力成果与静力成果叠加后的最大变形量。

表6 各工况荷载组合

5 结果与分析

根据三维静动力计算，得到不同工况下变形沉降量，见表7。

表7 各工况荷载组合沉降量

施工期进行了地应力平衡，为后续计算提供应力场及平衡后的位移场。竣工期，闸室自重加上金属结构对砂砾石覆盖层产生的沉降量最大值为1.87 cm，在自重作用下，闸室底部基础的变形要比连接板、护坦基础产生变形量大，防渗墙与连接板沉最大沉降高差为0.56 cm，连接板与闸室进口接缝的最大沉降高差为0.74 cm。

正常运行期在水荷载作用下，覆盖层产生的沉降量最大值为2.41 cm。闸室前段护坦及连接板受水荷载作用更加贴合基础，同时水闸在扬压力作用下有微小上抬，此时，防渗墙与连接板沉最大沉降高差为0.02 cm，连接板与闸室进口沉降高差为0.03 cm。

正常运行期+Ⅷ度地震，静动力叠加后覆盖层产生的永久沉降量为4.49 cm。虽然连接板重量较小，但闸室对覆盖层基础的压缩量也影响到连接板。此时，连接板沉降也有所加大，防渗墙与连接板沉最大沉降高差为1.26 cm，连接板与闸室进口沉降高差为2.56 cm。上述3个工况中，闸室基础覆盖层最大沉降量小于规范中允许沉降变形量15 cm的要求，最大沉降差也小于规范要求沉降差允许值5 cm的要求，且远小于铜止水鼻子10 cm的剪切变形量。闸基永久变形见图7。

图7 正常蓄水位+地震工况闸基永久变形沉降云图(单位：m,变形放大20倍)

6 结 论

本工程为Ⅲ等中型工程，建于深厚覆盖上，防渗墙与连接板、闸室与连接板的沉降差及闸室整体的沉降问题对整个工程安全运行至关重要。通过三维有限法计算泄洪冲沙闸基础沉降及结构缝间沉降差，结果表明：

1) 竣工期、正常运行期、正常运行期+地震工况随着荷载逐渐变大，覆盖层产生的沉降量、接缝的沉降差逐渐增大，覆盖层在正常运行期+地震工况时基础沉降最大，但最大永久变形远小于规范15 cm的要求。接缝处永久变形最大沉降差最大值也小于规范5 cm允许值的要求。表明闸室在上述3个工况下不会因为基础不均匀沉降而发生破坏。

2) 针对此类建于深厚覆盖层上的水闸或闸坝类工程，因其基础不均匀沉降，设计人员可采用三维有限元静动力的方法进行分析计算，为同类型工程提供借鉴。