擴大基礎(chǔ)簡介

擴大基礎(chǔ)加固效果研究

1 引 言

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級。開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪，并有攔沙、改善下游航運條件和發(fā)展庫區(qū)通航等綜合利用效益，是西電東送骨干電源點之一。白鶴灘拱壩壩頂高程 834 m，最大壩高 289 m。壩址區(qū)河谷呈不對稱的“V”型，左岸坡緩，右岸坡陡，兩岸地形、地質(zhì)條件存在明顯的不對稱性。左岸層內(nèi)錯動帶，緩傾角裂隙較右岸發(fā)育明顯，且壩基左岸風(fēng)化、卸荷深度普遍大于右岸，左岸地質(zhì)條件明顯較差。為適應(yīng)上述地質(zhì)地形條件的不對稱性，設(shè)計通過壩基開挖，以及將拱壩壩身設(shè)計成不對稱的體形來改善基礎(chǔ)條件不對稱情況下拱壩的應(yīng)力變形狀態(tài)。

考慮壩址地形地質(zhì)特點，拱壩設(shè)計結(jié)合基礎(chǔ)處理，提出了設(shè)置混凝土擴大基礎(chǔ)、左岸壩頂墊座的拱壩設(shè)計方案。其中，在左岸750.0 m～河床～右岸610.0 m 拱壩下游設(shè)置寬約20.0 m 的擴大基礎(chǔ)作為壩肩的應(yīng)力擴散結(jié)構(gòu)，壩頂墊座、擴大基礎(chǔ)和壩體視為同一整體。

白鶴灘拱壩的擴大基礎(chǔ)的設(shè)計類似于傳統(tǒng)意義上的壩肩與河床基礎(chǔ)大墊座，墊座上游面與上游壩面平齊且光滑過渡，建造時與壩體同時澆筑，因此擴大基礎(chǔ)可以與壩體視為同一整體。由于其造價高、工程量大，且目前尚無明確的理論或規(guī)范指導(dǎo)此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對其加固效果的評價和加固機制的研究也不甚成熟，尤其是對于存在諸多影響工程安全不利因素作用的高拱壩工程而言，擴大基礎(chǔ)能否發(fā)揮對拱壩系統(tǒng)的加固作用，合理評價擴大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的加固效果，研究擴大基礎(chǔ)的加固機制這些問題對拱壩設(shè)計和工程實踐而言都是具有直接意義的。

目前已有學(xué)者對大墊座的加固效果進行了研究，蘭仁烈用拱冠梁法求解拱壩應(yīng)力，從解析的角度對比2 種不同底部墊座形式的應(yīng)力分配。事實上拱壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壩體、墊座和地基等聯(lián)合作用，且多重因素同時影響拱壩受力與穩(wěn)定，需要通過模型試驗或數(shù)值分析才能更好的模擬實際情況。不僅對墊座的加固研究如此，對于包括拱壩壩肩置換等其他加固措施的加固分析也需要通過試驗或數(shù)值的手段得以實現(xiàn)。L. Zhang 等分別對大崗山拱壩加固前后建立地質(zhì)力學(xué)模型試驗，通過試驗所得變位和破壞模式的對比分析加固效果；林 鵬等及楊庚鑫等分別對小灣拱壩壩肩軟弱蝕變帶巖體處理和傳力抗剪結(jié)構(gòu)的加固效果進行模型試驗的對比研究；周維垣等結(jié)合高拱壩實例，詳細討論設(shè)置墊座后高拱壩安全度、壩踵和壩趾應(yīng)力優(yōu)化的情況；陳衛(wèi)忠等和寧 宇等分別通過對比小灣和白鶴灘拱壩位移和壩肩應(yīng)力分析加固效果；張 肖等計算分析錦屏一級高拱壩分期填筑和正常蓄水位時墊座自身抗滑安全系數(shù)的變化；胡著秀等則通過對比錦屏拱壩加固前后特征點的位移、壩踵拉應(yīng)力、超載安全系數(shù)和強度儲備安全系數(shù)說明基礎(chǔ)加固效果。不僅拱壩工程中的加固研究如此，Y. C. Long等通過研究重力壩抗震配筋在地震作用下位移響應(yīng)等的影響來評價其加固效果。顯然，通過模型試驗進行加固分析需要分別進行 2 個模型試驗才能完成，成本較高。而目前基于數(shù)值模擬的加固分析是建立在常規(guī)拱壩超載計算之上，一方面通過對比加固前、后 2 種方案應(yīng)力、位移等有明確物理意義的特征量得到其對拱壩正常工作階段的影響，另一方面根據(jù)超載過程中的拱壩的應(yīng)力位移狀態(tài)、屈服區(qū)大小、超載安全系數(shù)等說明加固對結(jié)構(gòu)承載能力的影響，這是從穩(wěn)定性的角度討論加固的效果。與此同時，通過加固前后結(jié)構(gòu)體的直觀力學(xué)響應(yīng)的變化推斷加固措施的作用機制。上述分析方法能從一定程度上說明加固措施的工程效果，是加固分析的重要手段，但其是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界時刻及其之前階段的加固分析，且缺乏較為嚴格的理論基礎(chǔ)，使其難以從更具備針對性的理論基礎(chǔ)上更全面的闡述加固的效果。超載安全系數(shù)、屈服區(qū)大小的判斷等指標在描述拱壩穩(wěn)定性能的時候無法針對具體的拱壩結(jié)構(gòu)重點薄弱部位，而例如超載安全系數(shù)隨定義和計算方法的不同而結(jié)果不盡相同，具有一定的工程經(jīng)驗性。

以白鶴灘拱壩作為實際工程背景，將擴大基礎(chǔ)視為類似大墊座的加固結(jié)構(gòu)形式，從多角度多尺度對其進行加固效果的分析和評價。正常工況下，對應(yīng)力位移的加固分析集中在各高程壩體及壩肩區(qū)域，歸納擴大基礎(chǔ)對壩體變形的絕對值和對稱性的影響，以及壩肩范圍巖體應(yīng)力集中情況的轉(zhuǎn)移作用。與前述工作不同，本文將變形加固理論運用到拱壩加固效果的研究當(dāng)中，變形加固理論是具有嚴格理論基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價理論，其為復(fù)雜系統(tǒng)受到超出結(jié)構(gòu)自承力的荷載作用時提供合理的力學(xué)表述。不平衡力及塑性余能范數(shù)有明確對應(yīng)的物理意義，能為評價擴大基礎(chǔ)在局部重點部位和整體層面的加固效果提供相應(yīng)的量化指標，以此對工程關(guān)心的壩踵開裂、壩趾巖體穩(wěn)定、壩體穩(wěn)定和系統(tǒng)整體穩(wěn)定問題進行對比分析。文中所采用的加固分析手段力求補充應(yīng)力、位移和屈服區(qū)等現(xiàn)有常用的方法所未涉及的分析角度，同時在此基礎(chǔ)上將變形加固理論作為加固分析的基本理論，使加固分析的方法與手段更加“有理可依”和全面。

2 加固分析方法

2.1 加固效果分析方法

對于給定外部作用和邊界條件的結(jié)構(gòu)靜力問題而言，對結(jié)構(gòu)進行加固的直接目的在于提高結(jié)構(gòu)在正常工作和極端工況下的安全性與穩(wěn)定性?？梢赃@樣認為，對于高拱壩加固措施的加固效果分析，應(yīng)當(dāng)是建立在拱壩安全性與穩(wěn)定性評價的體系之上的，加固的效果在評價體系之內(nèi)通過對加固前后的對比分析中得到。

對于高拱壩而言，正常工況下拱壩基本處于彈性工作狀態(tài)，加固效果通過應(yīng)力位移的改變得以衡量，它能間接反應(yīng)加固措施對結(jié)構(gòu)體宏觀力學(xué)性能的改變。由于其物理概念明確，這也是最常被用來評價加固效果的方法。另外，通常采用超載法或強度折減法使結(jié)構(gòu)逼近極限狀態(tài)，加固效果能夠通過基于此得到的拱壩安全度進行衡量，同時超載過程中的屈服區(qū)大小、結(jié)構(gòu)體抗滑安全系數(shù)等反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和穩(wěn)定性的表征也被用來評價其加固效果。這屬于變形穩(wěn)定分析的范疇，如何得到拱壩的安全度則屬于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判據(jù)的問題，目前常用的穩(wěn)定性判據(jù)主要有迭代收斂性判據(jù)、狀態(tài)突變性判據(jù)和塑性區(qū)貫通等，但這些依據(jù)缺乏嚴格的理論基礎(chǔ)尚存一些異議。

由于加固對于結(jié)構(gòu)的影響是全方位的，對于加固效果的評價通常也需要通過多種不同的角度來進行。應(yīng)力位移反應(yīng)的實際上是加固措施對結(jié)構(gòu)剛度和整體受力分配的影響，而通過超載或降強手段得到的安全度、屈服區(qū)大小等實際上討論的是加固措施對拱壩超載能力的影響，是對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評估，但這些仍無法針對性的定量評價加固對工程關(guān)注的壩肩穩(wěn)定和壩踵開裂等關(guān)鍵問題的影響。允許結(jié)構(gòu)進入極限狀態(tài)，并通過定義此時外力與結(jié)構(gòu)自身承載能力的差距來描述拱壩在該過程中的受力狀態(tài)，為更加全面的評價加固效果提供了新的思路。正因如此，本文將變形加固理論運用到評價擴大基礎(chǔ)對拱壩系統(tǒng)的加固效果評價當(dāng)中?？傮w來說，本文采用對加固前后進行對比的內(nèi)容包括：正常工況壩體位移及壩肩應(yīng)力分布，超載過程中壩體屈服區(qū)，壩體、壩踵區(qū)和壩趾區(qū)不平衡力，壩體和地基以及模型整體塑性余能范數(shù)等。

3計算模型與方案

3.1 計算網(wǎng)格

本次計算采用三維模型進行計算，計算范圍為上游1.5 倍壩高(500 m)，下游2.3 倍壩高(700 m)；左右兩岸3 倍壩高范圍內(nèi)(各800 m)，壩底高程以下約2 倍壩高(565 m)，左岸壩頂以上至850 m 高程附近，右岸至壩頂高程以上200 m；模擬了各類巖體以及主要軟弱結(jié)構(gòu)面?？偟哪M范圍為1 600 m× 1 200 m×1 054 m，網(wǎng)格采用八節(jié)點六面體和六節(jié)點五面體單元，節(jié)點總數(shù)和單元總數(shù)分別為119 614 和111 684。進行彈塑性有限元計算，程序采用理想彈塑性模型，屈服條件采用Drucker-Prager 準則，各結(jié)構(gòu)面及巖體材料種類較多，各材料參數(shù)在文中不一一列出。

3.2 計算方案

計算方案分為有擴大基礎(chǔ)方案和無擴大基礎(chǔ)方案，下文分析也基于這2 種方法。有擴大基礎(chǔ)時，計算認為擴大基礎(chǔ)與壩體作為整體，同時砌筑，同時受力；無擴大基礎(chǔ)方案。本文通過彈塑性有限元進行超載計算。正常工況荷載包括壩體自重、水載、泥沙荷載和溫降荷載，然后逐級超載。正常工況計算時，先將地基自重作為初始地應(yīng)力，考慮施工過程施加壩體自重，然后施加上游水壓、泥沙和溫降荷載。超載計算時上游水載從1 倍水載逐步超載至3.5 倍水載。上游正常水位8 2 5 . 0 0 m ，相應(yīng)下游水位601.00 m。上游淤砂高程為710.00 m，淤砂浮容重為500 kg/m，淤砂內(nèi)摩擦角為0°。

4成果分析

4.1 壩體位移分析

順河向位移以指向下游為正，橫河向位移指向右岸為正。擴大基礎(chǔ)使拱冠梁順河向最大位移(750 m 高程附近)從114.8 mm 減小到106.9 mm；橫河向最大位移從16.4 mm 減小到9.9 mm。將下游面左、右拱端相同高程的位移絕對值對應(yīng)相減，得到下游壩面左、右拱端相對位移，該相對位移反應(yīng)左、右拱端變形的對稱性。擴大基礎(chǔ)使兩拱端順河向最大相對位移從7.6 mm 減小到4.7 mm，橫河向從16.3 mm 減小到10.9 mm，橫河向相位位移本身大于順河向，且擴大基礎(chǔ)造成相對位移的變化值也是橫河向大于順河向。通過將有擴大基礎(chǔ)方案與無擴大基礎(chǔ)方案的壩體位移對比可知，有擴大基礎(chǔ)時拱壩拱冠梁的順河向和橫河向位移絕對值相對較小，左、右拱端相對位移較小。也就是說，擴大基礎(chǔ)能增加拱壩的整體剛度，擴大基礎(chǔ)起到補強的作用，改善壩體受力的對稱性，從而提升壩體變形的對稱性。

4.2 壩肩應(yīng)力分析

分析拱壩擴大基礎(chǔ)對壩肩應(yīng)力大小及分布的影響，正常工況下，無擴大基礎(chǔ)時壩肩最大主壓應(yīng)力為11.2 MPa，出現(xiàn)在壩體近基巖位置，建基面上最大主壓應(yīng)力為9.8 MPa；有擴大基礎(chǔ)壩肩最大主壓應(yīng)力為13.5 MPa 出現(xiàn)在擴大基礎(chǔ)與壩體銜接拐角處，建基面上最大主壓應(yīng)力6.23 MPa。顯然，應(yīng)力值大的區(qū)域或應(yīng)力集中區(qū)域越接近建基面尤其是基巖，壩肩受力情況越不利，對壩肩穩(wěn)定越有威脅，而壩體幾何過度部位往往能通過貼腳等措施改善其應(yīng)力狀態(tài)。因此，擴大基礎(chǔ)使尤其是壩體與基礎(chǔ)巖體銜接處最大應(yīng)力值明顯減小，且應(yīng)力等值線的密集程度降低，對壩肩受力來說更有利。

對于設(shè)置擴大基礎(chǔ)的高程段，它能使壩肩壓應(yīng)力集中區(qū)從建基面附近轉(zhuǎn)移到擴大基礎(chǔ)與下游面銜接拐角處，減小建基面及其周圍基巖應(yīng)力大小及應(yīng)力梯度，明顯改善其附近應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力梯度的減小，說明建基面附近巖體應(yīng)力集中程度降低，同時應(yīng)力從壩體傳遞至巖體的路徑更加均勻，有利于巖體承力狀態(tài)下保持其自身整體性并發(fā)揮其承載能力，而白鶴灘拱壩左岸地質(zhì)條件又較為不利，擴大基礎(chǔ)對于壩肩巖體應(yīng)力狀態(tài)的改變是有利的。

從拱壩結(jié)構(gòu)角度來講，擴大基礎(chǔ)一方面可以認為是對壩體的加固，它使得拱端變厚變強，整體剛度得到提高，另一方面也可以看作是對壩趾區(qū)域巖體的置換加固，該區(qū)域巖體的強度和整體性得到提高。尤其是白鶴灘拱壩左岸地質(zhì)條件相對明顯惡劣的情況下，改善左岸壩肩巖體的應(yīng)力狀態(tài)對整個工程的安全和穩(wěn)定尤為重要。

4.3 穩(wěn)定性分析

(1)壩體穩(wěn)定分析

隨超載過程的進行，上游壩面不平衡力主要集中在河床附近，其最大值出現(xiàn)在河床靠右岸附近。有擴大基礎(chǔ)時壩體上游面壩踵河床附近區(qū)域以及左岸壩肩附近不平衡力明顯所減小。不平衡力減小，說明拱壩承受的外荷載更多的被結(jié)構(gòu)自身承擔(dān)，而超出自承能力的部分減小，這就是加固體加固效果的直接表現(xiàn)。3.5 倍水載時，上游壩面屈服區(qū)較小，本文未列出，超載3.5 倍工況下各方案下游壩面點安全度和屈服區(qū)分布。無擴大基礎(chǔ)時，壩面高高程段壩面出現(xiàn)屈服區(qū)貫通，且近壩肩區(qū)域壩面也有較大面積的屈服；有擴大基礎(chǔ)時，高高程段壩面屈服區(qū)沒有貫通，近壩肩區(qū)域壩面屈服區(qū)也明顯減小，壩面點安全度高于無擴大基礎(chǔ)工況。從壩體屈服狀態(tài)來看，顯然有擴大基礎(chǔ)時更優(yōu)。

(2)壩踵開裂及壩趾錨固分析

楊 強等中闡明不平衡力和壩踵開裂的關(guān)系，指出不平衡力的大小可以作為壩踵開裂的評價指標，壩踵區(qū)域不平衡力大小能直接反應(yīng)壩踵開裂的可能性。工程計算中多以2.5 倍水載作為參考工況，顯示了白鶴灘拱壩超載至2.5 倍左岸和右岸的壩踵區(qū)不平衡力的變化，其統(tǒng)計范圍參見楊 強等的研究。2.5 倍水載時，無擴大基礎(chǔ)時左岸壩踵不平衡力為6.0′10N，有擴大基礎(chǔ)為2.7′10N，且擴大基礎(chǔ)對壩踵不平衡力的影響左岸大于右岸。從壩踵不平衡力對比可知，擴大基礎(chǔ)的設(shè)置能減小壩踵不平衡力，降低其開裂的可能性。

壩趾巖體受壓剪作用，該區(qū)域是拱壩破壞的先導(dǎo)區(qū)，計算所得區(qū)域內(nèi)的不平衡力能反應(yīng)該區(qū)域巖體穩(wěn)定性，由于最優(yōu)加固力與最小不平衡力互為反力，工程中通常根據(jù)3.5 倍水載時不平衡力的方向和大小確定壩趾錨固所需錨固力，從而指導(dǎo)壩趾錨固設(shè)計。

白鶴灘拱壩左岸壩趾不平衡力遠大于右岸，超載過程左岸壩趾不平衡力變化曲線，其不平衡力統(tǒng)計范圍參見Q. Yang 等的研究。有擴大基礎(chǔ)工況，各超載階段壩趾不平衡力均小于無擴大基礎(chǔ)工況。3.5 倍水載時，無擴大基礎(chǔ)時壩趾不平衡力為5.2′10N，有擴大基礎(chǔ)時為3.8′10N，壩趾不平衡力明顯減小?？梢姅U大基礎(chǔ)能直接起到加固壩趾附近基巖的作用，提高壩趾壓剪區(qū)域的穩(wěn)定性，對拱壩安全起到明顯作用。如前文所述，擴大基礎(chǔ)通過對壩趾區(qū)域的加強能夠使水推力更均勻的向基巖傳遞，發(fā)揮其承載能力，從而減小壩趾區(qū)不平衡力。

(3)整體穩(wěn)定性分析

它實際上是不平衡力的一個范數(shù)，在結(jié)構(gòu)局部層次上不平衡力是余能范數(shù)的體現(xiàn)，在整體層次上余能范數(shù)作為標量能通過統(tǒng)計得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個綜合評價。前文已針對壩肩、壩踵和壩趾局部區(qū)域進行分析，下面用余能范數(shù)對擴大基礎(chǔ)加固效果進行更大范圍的整體評價。

塑性余能范數(shù)大小與拱壩工程的安全度負相關(guān)的，即在相同外荷載情況下，余能范數(shù)越大則拱壩穩(wěn)定性越差，安全度越低。如3.5 倍水載時，擴大基礎(chǔ)使壩體余能范數(shù)從3.311 t·m 下降到0.819 t·m，左岸余能范數(shù)從6.702 t·m下降到2.110 t·m，也就是說壩體、左岸和右岸基礎(chǔ)各自穩(wěn)定性均得到提高。拱壩–地基系統(tǒng)超載過程總體塑性余能范數(shù)，3.5 倍水載時，無擴大基礎(chǔ)拱壩整體余能范數(shù)為11.3 t·m，而有擴大基礎(chǔ)時為3.3 t·m。從曲線的變化來看，如從3 倍超載到3.5 倍水載，無擴大基礎(chǔ)時曲線突變的幅度更大，曲線更陡，說明在3 倍水載時有擴大基礎(chǔ)的拱壩系統(tǒng)保有的承載能力大于無擴大基礎(chǔ)的情況。系統(tǒng)整體失穩(wěn)的超載倍數(shù)和失穩(wěn)程度通過整體余能范數(shù)得到，結(jié)果表明擴大基礎(chǔ)使得拱壩系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性得到提高，安全度增大。

(4)穩(wěn)定性分析小結(jié)

從對比分析的結(jié)果來看，擴大基礎(chǔ)使壩體、壩踵和壩趾不平衡力及整體余能范數(shù)均有所減小。從不同角度分析可知，擴大基礎(chǔ)使得拱壩–地基系統(tǒng)的超載能力得到提高，結(jié)構(gòu)局部尤其是拱壩薄弱部位，以及整體穩(wěn)定性均有所改善。對于拱壩這一具有很強應(yīng)力調(diào)整能力的結(jié)構(gòu)來說，理想的加固結(jié)構(gòu)或措施應(yīng)當(dāng)能更有助于提升結(jié)構(gòu)在超載過程中自身的應(yīng)力調(diào)節(jié)能力，從而提高其承載能力。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)白鶴灘拱壩墊座及擴大基礎(chǔ)設(shè)計方案及勘測地質(zhì)信息建立三維數(shù)值模型，模擬主要結(jié)構(gòu)面，進行非線性有限元分析，計算表明：

(1)針對白鶴灘拱壩左岸尤其不利的地質(zhì)條件而言，擴大基礎(chǔ)對工程局部和整體而言是一種有效措施?；谧冃渭庸汤碚摰募庸绦Чu價方法可行。

(2)擴大基礎(chǔ)使冠梁順河向最大位移從114.8 mm 減小到106.9 mm，說明其能減小壩體絕對位移，提高拱壩整體的剛度；左、右拱端間相對位移值的減少，說明在地質(zhì)條件明顯不對稱的情況下，合理的擴大基礎(chǔ)形式能有效提高拱壩受力的對稱性。

(3) 擴大基礎(chǔ)能使壩體與基巖結(jié)合部位的應(yīng)力集中情況得到轉(zhuǎn)移，減小建基面附近巖體應(yīng)力值及附近區(qū)域的應(yīng)力梯度，對于斷層和錯動帶發(fā)育的左岸壩肩受力狀態(tài)來說是有利的。

(4)超載過程中擴大基礎(chǔ)能明顯減小壩體不平衡力，壩踵和壩趾范圍內(nèi)不平衡力減小表明擴大基礎(chǔ)能降低壩踵開裂可能，提升壩趾巖體的穩(wěn)定性；3.5 倍水載時，作為綜合評價指標的系統(tǒng)余能范數(shù)從11.3 t·m 減小到3.3 t·m，拱壩系統(tǒng)的承載能力得到顯著提高。

綜上所述，基于變形加固理論工程加固評價方法，既能對工程關(guān)心的具體關(guān)鍵部位做針對性的定量分析，標量形式的塑性余能范數(shù)又能對加固效果進行綜合評價，結(jié)果表明該方法行之有效。然而，工程實際中加固體的尺寸及材料參數(shù)等對加固效果的影響等問題有待進行進一步深入研究。 2100433B