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土石壩對地質條件要求相對較低，在深覆蓋層上直接修筑土石壩可以減少覆蓋層開挖，節省工程投資。目前對建造在深厚覆蓋層上的土石壩模擬計算中，壩基影響范圍只取至覆蓋層底部，覆蓋層以下的基巖作為剛性體考慮，但實際工程情況并不完全相同。當覆蓋層以下是變形模量很小的軟巖時，壩體以及防滲結構可能產生更大的沉降和變形,這將影響防滲系統的可靠性。

由于國內很少有這方面的工程實例介紹，故本文采用西霞院河床段土石壩作為計算模型，應用鄧肯模型對壩體、壩基進行三維有限元計算，分析壩基深層存在軟巖對土石壩壩體變形的影響以及對防滲系統的影響。

1工程概況

西霞院工程建于小浪底大壩下游16公里處的黃河干流上，壩址位于吉利區和孟津縣白鶴鎮之間，屬于低山丘陵區。工程的開發任務是以反調節為主，結合發電，兼顧灌溉、供水綜合利用。工程布置采用土石壩，壩長約2600m，壩體采用砂卵石壩殼復合土工膜防滲斜墻，壩基防滲采用砼防滲墻。

壩址地形呈寬闊"U"型河谷，寬約3km。河床兩側分布高漫灘及Ⅱ級階地。壩址處兩岸河漫灘表層為2m～7m的新近沉積的砂壤土、砂層等，結構松散，靠近兩岸Ⅱ級階地其上部多分布有粉質壤土。河漫灘下部為砂礫石層，一般厚20m～28m，中等密實狀態。砂礫石層下部基巖由上第三紀砂巖與粘土巖互層組成，飽和抗壓強度平均值為4.3MPa，屬極軟巖類巖體。

2計算模型及材料參數

2.1計算模型

西霞院土石壩壩頂高程139.0m，最大壩高21.0m，壩頂寬8米，上游邊坡1：2.75，下游邊坡1：2壩，上游設壤土鋪蓋與斜墻相連進行防滲。計算工況：上游水位134.75m，下游水位126.23m。取100m河床段作深部軟巖對壩體變形的影響分析，河床段剖面示意圖見圖1。

圖1河床段最大剖面圖（單位：m）

2.2計算參數選擇

壩基由表部松散粉細砂、中部砂礫石層及下部上第三系基巖地層組成。表部松散粉細砂，厚3.0m，粉細砂上部為砂壤土，厚1.0m，下部為砂層，厚2.0m，結構疏松；地層中部為砂礫石層，厚20m；地層下部為軟巖，厚30m，彈性模量只有500Mpa（屬于極軟巖）。

壩體及壩基E～B模型計算參數見表1。

表1E～B模型計算參數

參數

材料

土粒

比重

KN/m3

C

KN/m3

Φ

(O)

K

n

Rf

Kb

m

Kur

nur

壩體壓實砂礫

2.66

21.0

32

550

0.45

0.80

220

0.5

1100

0.45

地基砂礫石Q4

2.66

21.0

32

500

0.48

0.82

200

0.4

1000

0.48

地基砂礫石Q3

2.68

21.0

32

600

0.48

0.81

240

0.5

1200

0.48

砼防滲墻C15

24.0

E=22000MPa,ν=0.167

軟巖

17.1

E=500MPa,ν=0.3

接觸面

參數

C

KN/m3

Φ

(O)

K1

n‘

Rf’

防滲墻與砂層

18

30000

1.0

0.9

防滲墻與砂礫層

22

36000

1.0

0.9

2.3單元剖分及計算坐標

空間模型坐標系建立如下：順河向為X軸，指向下游為正；豎直向為Y軸，豎直向上為正；壩軸線為Z軸，指向河谷中心（右岸）為正，指向左岸為負。土壩的有限元計算網格見圖3.2。整個結構共剖分單元5208個，結點總數6315個。

圖2有限元計算網格圖

2.4荷載分級情況

在有限元模擬分析中，結合施工順序共分十級加荷。第一級為壩基砂卵石層；第二級為河槽段截流圍堰體；第三級為圍堰防滲墻及第一級壩身；第四及至第七級為壩身；第八級分別為復合土工膜及上游面混凝土護坡；第九級為上游校核洪水134.75m及相應的下游水位126.23m。

3計算結果及分析

3.1對壩體變形的敏感性分析

考慮軟巖情況與不考慮軟巖情況下壩體的最大水平位移值及沉降值見表2。在兩種情況下水平位移、最大沉降的絕對值均不大，考慮軟巖與不考慮軟巖的水平位移最大值變化微小，但考慮軟巖影響情況下最大沉降值比不考慮軟巖影響情況大2.5cm，壩體最大沉降值增大約5.5%。從水平位移最大值和沉降最大值以及壩體水平位移及沉降變形圖可以看出：軟巖的存在增加壩體變形，但對土石壩本身來說影響不大。

表2考慮軟巖與不考慮軟巖壩體最大位移比較表

位移

工況

向上游最大

位移值(cm)

向下游最大

位移值(cm)

最大沉降值

(cm)

考慮軟巖影響

-10.6

22.6

-45.1

不考慮軟巖影響

-10.2

22.4

-42.6

3.2對壩坡面復合土工膜小主應變敏感性分析

上述討論的變形值都是位于壩體內部，而對于壩體上游面由于其上鋪設復合土工膜，是防滲系統的關鍵部位，也是設計比較關鍵的部位。這里分別列出兩種情況下最大斷面上壩坡面5個控制點應變值，控制點位置見圖7，應變值見表3。

圖7壩面控制點位置示意圖

從表3可以看出:在上游壩腳附近應變值較大，沿著壩高應變值逐漸減小。考慮軟巖與不考慮軟巖在點1和點2位置應變值變化明顯，應變分別增大0.9%和1.2%，點3、點4和點5位置的應變值相差不大。假定復合土工膜與壩坡面土體變形協調一致，那么考慮軟巖情況下上游壩坡腳位置復合土工膜的拉應力明顯增大，對復合土工膜受力十分不利，在設計過程中應該引起注意。

表3河床段剖面壩面復合土工膜控制點的小主應變值（單位：%）

點

位置

小主應變值

考慮軟巖

不考慮軟巖

差值

增大比例

1

x=-44.9y=125.0

9.62

8.72

0.9

9.4%

2

x=-43.3y=125.0

10.5

9.30

1.2

11.4%

3

x=-40.4y=125.8

4.33

4.18

0.15

3.5%

4

x=-38.4y=126.5

3.33

3.25

0.08

2.4%

5

x=-32.2y=128.8

2.88

2.79

0.09

3.1%

注：考慮軟巖影響比較時，差值＝考慮軟巖應變值-不考慮軟巖應變值，

增大比例＝(考慮軟巖應變值-不考慮軟巖應變值)/考慮軟巖應變值

3.3軟巖對防滲墻變形和應力的影響

防滲墻變形及大小主應力計算結果見圖8，考慮軟巖影響計算出來防滲墻水平位移較大，底部105.0m高程附近二者相差1.4cm，沿著防滲墻高度方向，位置越高二者差值越大，到頂部125.0m高程處二者相差3.5cm。防滲墻大小主應力不考慮軟巖影響情況的比考慮軟巖影響的大。考慮軟巖影響情況下防滲墻大、小主應力都有明顯的減小，這對防滲墻的工作狀態有利。但是考慮軟巖情況下防滲墻的頂部位移明顯增大，這將使防滲墻頂部與復合土工膜的連接部位發生破壞的可能性大大增強。因此在連接部位設計過程中宜將復合土工膜打折皺或者采用更加安全的措施--設置空腔式伸縮節等。

圖8防滲墻水平位移和大小主應力比較圖

4結論

當壩基覆蓋層以下存在變形模量較小的軟巖時（特別是壩基1倍壩高深度以下就存在軟巖時），會增大壩體和防滲結構的變形和沉降，從而影響防滲系統的可靠性。在防滲體設計及計算過程中應考慮軟巖的影響，而不能采取以往分析只考慮到覆蓋層底部，而把軟巖基巖作為完全剛性地基考慮。

由于水的力學作用和物理化學作用的相互影響，使得壩基軟巖軟化和受力變形情況更為復雜。本文只是對低土石壩進行分析，對于高土石壩壩基存在深層軟巖的情況，應根據實際工程情況作更深入的研究。

參考文獻：

［1］束一鳴、朱晟，軟硬巖相同地基上面板二、三維比較，河海大學學報，1996

［2］姜弘道，水工結構工程與巖土工程的現代計算方法及程序，河海大學出版社，1992