擴(kuò)大基礎(chǔ)

擴(kuò)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(jí)，下鄰溪洛渡梯級(jí)。開(kāi)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(yùn)條件和發(fā)展庫(kù)區(qū)通航等綜合利用效益，是西電東送骨干電源點(diǎn)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(duì)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(duì)稱性。左岸層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)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(duì)稱性，設(shè)計(jì)通過(guò)壩基開(kāi)挖，以及將拱壩壩身設(shè)計(jì)成不對(duì)稱的體形來(lái)改善基礎(chǔ)條件不對(duì)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(diǎn)，拱壩設(shè)計(jì)結(jié)合基礎(chǔ)處理，提出了設(shè)置混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)、左岸壩頂墊座的拱壩設(shè)計(jì)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(kuò)大基礎(chǔ)作為壩肩的應(yīng)力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，壩頂墊座、擴(kuò)大基礎(chǔ)和壩體視為同一整體。

白鶴灘拱壩的擴(kuò)大基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)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(guò)渡，建造時(shí)與壩體同時(shí)澆筑，因此擴(kuò)大基礎(chǔ)可以與壩體視為同一整體。由于其造價(jià)高、工程量大，且目前尚無(wú)明確的理論或規(guī)范指導(dǎo)此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)其加固效果的評(píng)價(jià)和加固機(jī)制的研究也不甚成熟，尤其是對(duì)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(kuò)大基礎(chǔ)能否發(fā)揮對(duì)拱壩系統(tǒng)的加固作用，合理評(píng)價(jià)擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的加固效果，研究擴(kuò)大基礎(chǔ)的加固機(jī)制這些問(wèn)題對(duì)拱壩設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐而言都是具有直接意義的。

目前已有學(xué)者對(duì)大墊座的加固效果進(jìn)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(duì)比2 種不同底部墊座形式的應(yīng)力分配。事實(shí)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(shí)影響拱壩受力與穩(wěn)定，需要通過(guò)模型試驗(yàn)或數(shù)值分析才能更好的模擬實(shí)際情況。不僅對(duì)墊座的加固研究如此，對(duì)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(guò)試驗(yàn)或數(shù)值的手段得以實(shí)現(xiàn)。L. Zhang 等分別對(duì)大崗山拱壩加固前后建立地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)所得變位和破壞模式的對(duì)比分析加固效果；林 鵬等及楊庚鑫等分別對(duì)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(jìn)行模型試驗(yàn)的對(duì)比研究；周維垣等結(jié)合高拱壩實(shí)例，詳細(xì)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(guò)對(duì)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(jì)算分析錦屏一級(jí)高拱壩分期填筑和正常蓄水位時(shí)墊座自身抗滑安全系數(shù)的變化；胡著秀等則通過(guò)對(duì)比錦屏拱壩加固前后特征點(diǎn)的位移、壩踵拉應(yīng)力、超載安全系數(shù)和強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)說(shuō)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(guò)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(lái)評(píng)價(jià)其加固效果。顯然，通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行加固分析需要分別進(jìn)行 2 個(gè)模型試驗(yàn)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(jì)算之上，一方面通過(guò)對(duì)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(duì)拱壩正常工作階段的影響，另一方面根據(jù)超載過(guò)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(shuō)明加固對(duì)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(shí)，通過(guò)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(jī)制。上述分析方法能從一定程度上說(shuō)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(shí)刻及其之前階段的加固分析，且缺乏較為嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，使其難以從更具備針對(duì)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(biāo)在描述拱壩穩(wěn)定性能的時(shí)候無(wú)法針對(duì)具體的拱壩結(jié)構(gòu)重點(diǎn)薄弱部位，而例如超載安全系數(shù)隨定義和計(jì)算方法的不同而結(jié)果不盡相同，具有一定的工程經(jīng)驗(yàn)性。

以白鶴灘拱壩作為實(shí)際工程背景，將擴(kuò)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(duì)其進(jìn)行加固效果的分析和評(píng)價(jià)。正常工況下，對(duì)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(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)壩體變形的絕對(duì)值和對(duì)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(yùn)用到拱壩加固效果的研究當(dāng)中，變形加固理論是具有嚴(yán)格理論基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(shí)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(duì)應(yīng)的物理意義，能為評(píng)價(jià)擴(kuò)大基礎(chǔ)在局部重點(diǎn)部位和整體層面的加固效果提供相應(yīng)的量化指標(biāo)，以此對(duì)工程關(guān)心的壩踵開(kāi)裂、壩趾巖體穩(wěn)定、壩體穩(wěn)定和系統(tǒng)整體穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比分析。文中所采用的加固分析手段力求補(bǔ)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(shí)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(duì)于給定外部作用和邊界條件的結(jié)構(gòu)靜力問(wèn)題而言，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(rèn)為，對(duì)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(píng)價(jià)的體系之上的，加固的效果在評(píng)價(jià)體系之內(nèi)通過(guò)對(duì)加固前后的對(duì)比分析中得到。

對(duì)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(guò)應(yīng)力位移的改變得以衡量，它能間接反應(yīng)加固措施對(duì)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(lái)評(píng)價(jià)加固效果的方法。另外，通常采用超載法或強(qiáng)度折減法使結(jié)構(gòu)逼近極限狀態(tài)，加固效果能夠通過(guò)基于此得到的拱壩安全度進(jìn)行衡量，同時(shí)超載過(guò)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(lái)評(píng)價(jià)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(wèn)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(yán)格的理論基礎(chǔ)尚存一些異議。

由于加固對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響是全方位的，對(duì)于加固效果的評(píng)價(jià)通常也需要通過(guò)多種不同的角度來(lái)進(jìn)行。應(yīng)力位移反應(yīng)的實(shí)際上是加固措施對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和整體受力分配的影響，而通過(guò)超載或降強(qiáng)手段得到的安全度、屈服區(qū)大小等實(shí)際上討論的是加固措施對(duì)拱壩超載能力的影響，是對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評(píng)估，但這些仍無(wú)法針對(duì)性的定量評(píng)價(jià)加固對(duì)工程關(guān)注的壩肩穩(wěn)定和壩踵開(kāi)裂等關(guān)鍵問(wèn)題的影響。允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入極限狀態(tài)，并通過(guò)定義此時(shí)外力與結(jié)構(gòu)自身承載能力的差距來(lái)描述拱壩在該過(guò)程中的受力狀態(tài)，為更加全面的評(píng)價(jià)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(yùn)用到評(píng)價(jià)擴(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)拱壩系統(tǒng)的加固效果評(píng)價(jià)當(dāng)中。總體來(lái)說(shuō)，本文采用對(duì)加固前后進(jìn)行對(duì)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(guò)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(jì)算模型與方案

3.1 計(jì)算網(wǎng)格

本次計(jì)算采用三維模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(diǎn)六面體和六節(jié)點(diǎn)五面體單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)和單元總數(shù)分別為119 614 和111 684。進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算，程序采用理想彈塑性模型，屈服條件采用Drucker-Prager 準(zhǔn)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(jì)算方案

計(jì)算方案分為有擴(kuò)大基礎(chǔ)方案和無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)方案，下文分析也基于這2 種方法。有擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)，計(jì)算認(rèn)為擴(kuò)大基礎(chǔ)與壩體作為整體，同時(shí)砌筑，同時(shí)受力；無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)方案。本文通過(guò)彈塑性有限元進(jìn)行超載計(jì)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(jí)超載。正常工況計(jì)算時(shí)，先將地基自重作為初始地應(yīng)力，考慮施工過(guò)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(jì)算時(shí)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(kuò)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(duì)值對(duì)應(yīng)相減，得到下游壩面左、右拱端相對(duì)位移，該相對(duì)位移反應(yīng)左、右拱端變形的對(duì)稱性。擴(kuò)大基礎(chǔ)使兩拱端順河向最大相對(duì)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(kuò)大基礎(chǔ)造成相對(duì)位移的變化值也是橫河向大于順河向。通過(guò)將有擴(kuò)大基礎(chǔ)方案與無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)方案的壩體位移對(duì)比可知，有擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)拱壩拱冠梁的順河向和橫河向位移絕對(duì)值相對(duì)較小，左、右拱端相對(duì)位移較小。也就是說(shuō)，擴(kuò)大基礎(chǔ)能增加拱壩的整體剛度，擴(kuò)大基礎(chǔ)起到補(bǔ)強(qiáng)的作用，改善壩體受力的對(duì)稱性，從而提升壩體變形的對(duì)稱性。

4.2 壩肩應(yīng)力分析

分析拱壩擴(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)壩肩應(yīng)力大小及分布的影響，正常工況下，無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)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(kuò)大基礎(chǔ)壩肩最大主壓應(yīng)力為13.5 MPa 出現(xiàn)在擴(kuò)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(duì)壩肩穩(wěn)定越有威脅，而壩體幾何過(guò)度部位往往能通過(guò)貼腳等措施改善其應(yīng)力狀態(tài)。因此，擴(kuò)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(duì)壩肩受力來(lái)說(shuō)更有利。

對(duì)于設(shè)置擴(kuò)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(kuò)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(shuō)明建基面附近巖體應(yīng)力集中程度降低，同時(shí)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(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)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(lái)講，擴(kuò)大基礎(chǔ)一方面可以認(rèn)為是對(duì)壩體的加固，它使得拱端變厚變強(qiáng)，整體剛度得到提高，另一方面也可以看作是對(duì)壩趾區(qū)域巖體的置換加固，該區(qū)域巖體的強(qiáng)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(duì)明顯惡劣的情況下，改善左岸壩肩巖體的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)整個(gè)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(guò)程的進(jìn)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(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)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(shuō)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(shí)，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(diǎn)安全度和屈服區(qū)分布。無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)，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(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)，高高程段壩面屈服區(qū)沒(méi)有貫通，近壩肩區(qū)域壩面屈服區(qū)也明顯減小，壩面點(diǎn)安全度高于無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)工況。從壩體屈服狀態(tài)來(lái)看，顯然有擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)更優(yōu)。

(2)壩踵開(kāi)裂及壩趾錨固分析

楊 強(qiáng)等中闡明不平衡力和壩踵開(kāi)裂的關(guān)系，指出不平衡力的大小可以作為壩踵開(kāi)裂的評(píng)價(jià)指標(biāo)，壩踵區(qū)域不平衡力大小能直接反應(yīng)壩踵開(kāi)裂的可能性。工程計(jì)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(jì)范圍參見(jiàn)楊 強(qiáng)等的研究。2.5 倍水載時(shí)，無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)左岸壩踵不平衡力為6.0′10N，有擴(kuò)大基礎(chǔ)為2.7′10N，且擴(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)壩踵不平衡力的影響左岸大于右岸。從壩踵不平衡力對(duì)比可知，擴(kuò)大基礎(chǔ)的設(shè)置能減小壩踵不平衡力，降低其開(kāi)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(jì)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(shí)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(jì)。

白鶴灘拱壩左岸壩趾不平衡力遠(yuǎn)大于右岸，超載過(guò)程左岸壩趾不平衡力變化曲線，其不平衡力統(tǒng)計(jì)范圍參見(jiàn)Q. Yang 等的研究。有擴(kuò)大基礎(chǔ)工況，各超載階段壩趾不平衡力均小于無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)工況。3.5 倍水載時(shí)，無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)壩趾不平衡力為5.2′10N，有擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)為3.8′10N，壩趾不平衡力明顯減小。可見(jiàn)擴(kuò)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(duì)拱壩安全起到明顯作用。如前文所述，擴(kuò)大基礎(chǔ)通過(guò)對(duì)壩趾區(qū)域的加強(qiáng)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(shí)際上是不平衡力的一個(gè)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(biāo)量能通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個(gè)綜合評(píng)價(jià)。前文已針對(duì)壩肩、壩踵和壩趾局部區(qū)域進(jìn)行分析，下面用余能范數(shù)對(duì)擴(kuò)大基礎(chǔ)加固效果進(jìn)行更大范圍的整體評(píng)價(jià)。

塑性余能范數(shù)大小與拱壩工程的安全度負(fù)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(shí)，擴(kuò)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(shuō)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(guò)程總體塑性余能范數(shù)，3.5 倍水載時(shí)，無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)拱壩整體余能范數(shù)為11.3 t·m，而有擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)為3.3 t·m。從曲線的變化來(lái)看，如從3 倍超載到3.5 倍水載，無(wú)擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)曲線突變的幅度更大，曲線更陡，說(shuō)明在3 倍水載時(shí)有擴(kuò)大基礎(chǔ)的拱壩系統(tǒng)保有的承載能力大于無(wú)擴(kuò)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(guò)整體余能范數(shù)得到，結(jié)果表明擴(kuò)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(duì)比分析的結(jié)果來(lái)看，擴(kuò)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(kuò)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(duì)于拱壩這一具有很強(qiáng)應(yīng)力調(diào)整能力的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，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(guò)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(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案及勘測(cè)地質(zhì)信息建立三維數(shù)值模型，模擬主要結(jié)構(gòu)面，進(jìn)行非線性有限元分析，計(jì)算表明：

(1)針對(duì)白鶴灘拱壩左岸尤其不利的地質(zhì)條件而言，擴(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)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(píng)價(jià)方法可行。

(2)擴(kuò)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(shuō)明其能減小壩體絕對(duì)位移，提高拱壩整體的剛度；左、右拱端間相對(duì)位移值的減少，說(shuō)明在地質(zhì)條件明顯不對(duì)稱的情況下，合理的擴(kuò)大基礎(chǔ)形式能有效提高拱壩受力的對(duì)稱性。

(3) 擴(kuò)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(duì)于斷層和錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育的左岸壩肩受力狀態(tài)來(lái)說(shuō)是有利的。

(4)超載過(guò)程中擴(kuò)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(kuò)大基礎(chǔ)能降低壩踵開(kāi)裂可能，提升壩趾巖體的穩(wěn)定性；3.5 倍水載時(shí)，作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)方法，既能對(duì)工程關(guān)心的具體關(guān)鍵部位做針對(duì)性的定量分析，標(biāo)量形式的塑性余能范數(shù)又能對(duì)加固效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該方法行之有效。然而，工程實(shí)際中加固體的尺寸及材料參數(shù)等對(duì)加固效果的影響等問(wèn)題有待進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。 2100433B