随着现代面板堆石坝分层碾压施工技术以及设计水平的不断提高, 堆石料的选择范围不断拓宽, 一些岩性较软或风化程度较高的软岩也能用于填筑面板堆石坝。这样就可以充分利用坝址附近的各种开挖料, 从而大大提高施工进度并节约工程成本。

软岩主要分为2大类: (1) 母岩强度本身较低, 即单轴饱和抗压强度<30MPa的岩石^[1]; (2) 风化程度较高或岩石断裂破碎导致强度较低的岩石。主要岩类有泥岩、页岩、泥质砂岩、泥灰岩、岩熔化石灰岩、片岩、板岩、千枚岩、盐岩、泥灰质白云岩及风化花岗片麻岩、风化砂岩等。地球上软岩所占比例较高, 约占所有岩石的50%^[2], 而且分布面较广, 因此, 软岩应用于混凝土面板堆石坝势必成为一种趋势。

综上所述, 软岩不利用势必造成很多开挖料废弃, 增大工程投资, 降低施工速度。因此, 软岩大面积应用于混凝土面板堆石坝的相关研究已成为广大工程技术人员关注的焦点。

本文堆石体采用Duncan-Chang E-B模型^[3]。Duncan-Chang E-B模型为非线弹性模型, 因其表达式简单易懂, 参数容易通过常规的三轴试验获得, 并且通过了大量实践检验, 故在岩土方面得到广泛利用。根据土的三轴压缩试验所得偏应力 (σ₁-σ₃) -ε₁ (轴向应变) 曲线, 认为其应力、应变关系为双曲线型, 并应用数学公式推导出切线模量E_t。同时又根据试验所得的体积应变ε_v和轴向应变ε₁的关系曲线, 推导出泊松比B_t的表达式。其切线变形模量E_t为:

式中:σ₃为侧向压力;σ₁-σ₃为偏应力;P_a为大气压力;R_f为破坏比;φ为内摩擦角;c为黏聚力;K, n为试验参数。

为考虑堆石体材料强度的非线性, 内摩擦角为:

式中:φ₀为σ₃等于单位大气压力时的φ值;Δφ为σ₃增大10倍时φ的减小量。

式中:K_ur, n_ur是2个试验因数, 方法与K, n相似, 一般地, K_ur=3K (软黏土) , K_ur=2K (砂砾石) ;n_ur值与初次加载的n数值接近。

切线体积模量B_t表示为:

式中:K_b为体积模量系数;m为体积模量指数。

综上所述, Duncan-Chang E-B模型除通用符号外, 需要通过三轴试验确定K, n, R_f, c, φ₀, Δφ, K_ur, K_b, m 9个模型参数, 并且堆石体的不同分区这些参数都有所不同。

该研究项目源于贵州省某水库, 挡水建筑物为混凝土面板堆石坝, 坝顶高程为693.800m, 坝顶上游设L形混凝土防浪墙, 防浪墙顶高程为695.000m, 墙高1.2m, 坝顶宽度为6.0m, 坝底最低点高646.000m, 最大坝底宽度为150.34m, 上、下游综合坝坡均为1∶1.5。上游坝面设置为C25钢筋混凝土防渗面板, 为方便施工, 面板厚度分别采用30cm和50cm 2种:从坝顶至高程678.800m的面板厚度采用30cm, 从高程678.800m至底部的面板厚度采用50cm。其设计断面如图1所示。

由图1可知, 在主堆石区和下游次堆石区之间有个被称为“死区”的区域, 较常规设计而言, 该区域在设计时可进行优化设计。

模型建立时考虑3种软岩使用方案: (1) 方案1 (即为实际工程设计方案) 软、硬岩分界线倾向下游1∶0.5; (2) 方案2软、硬岩分界线与坝轴线重合; (3) 方案3软、硬岩分界线倾向上游1∶0.5。各方案设计断面如图1所示。

本文采用CATIA建模并另存为.stp中性格式后导入ABAQUS分析计算。由于篇幅限制, 本文只呈现方案1模型, 如图2所示。

大坝模型是在原设计方案基础上对材料分区进行了一定简化, 从上游至下游分别是混凝土面板、垫层区、过渡区、主堆石区和下游坝堆石区5个材料区, 其中下游坝堆石区为软岩料的使用区域。坝体各材料分区单元类型采用8节点实体单元, 即C3D8。3种方案的网格划分参数如表1所示。

本文考虑2种计算工况:大坝竣工期和运行蓄水期蓄水至正常高水位 (690.000m) 。为了实际模拟大坝堆石体分层填筑的实际施工过程, 坝体填筑分为10个荷载步, 混凝土面板考虑一次浇筑完成, 为第11个荷载步, 蓄水分为4个荷载步加载。根据该工程料场室内外试验测定, 所用堆石料Duncan-Chang E-B模型参数如表2所示, 基础参数如表3所示。

混凝土面板考虑用弹性模型计算其应力变形, 同时由于堆石体与基岩的材料性质相差较大, 所以在计算中不考虑基岩变形对坝体变形的影响, 所以大坝基础只模拟其应力而没有应变, 即采用ABAQUS中的Geostatic分析步分析其初始应力场即可。边界条件考虑对大坝基础的前、后、左、右的法向变形及基础底部进行全约束。

从表4可以看出, 在竣工期, 软岩的分布范围越大, 其沉降量越大。软岩堆石区变大时, 最大坝体沉降增加6.4cm, 这对于该级别坝高来说影响较大, 这说明软岩的使用范围对坝体的沉降影响较大。与硬岩填筑面板坝不同的是其最大沉降位置发生在软岩堆石区内。另外, 从坝体水平位移的分布上看, 较常规面板坝而言, 由于软岩的使用使上、下游沿河向水平位移极不对称, 下游软岩堆石体的水平位移远大于上游硬岩堆石体, 这使坝体水平位移的零线向上游倾斜, 从而将造成面板顶部沿顺向坡方向有受拉趋势。同时, 从3种方案结果对比可知, 软岩的分布范围越大, 其上、下游水平位移越大, 但数值差别不大, 这说明软岩的分布范围对坝体沿河向水平位移影响不大。

另外, 在蓄水期, 坝体的沉降分布和沿河向水平位移分布规律与大坝竣工期相比变化不大, 这说明尽管软岩面板堆石坝比硬岩面板堆石坝的沉降有较大增加, 但这些大变形主要发生在填筑施工期, 坝体竣工后大部分变形已经完成。所以, 软岩面板堆石坝通过适当的施工设计可以避免较大的坝体变形对大坝安全运行的影响。

根据数值模拟成果可知, 软岩面板堆石坝的总体应力分布规律与常规面板堆石坝基本相同, 不同的是, 采用软岩堆石料的面板堆石坝坝体最大主应力分布曲线在软岩堆石区有较明显下降, 在软岩与硬岩的交界面处有较明显的突变现象。由此可见, 为避免对坝体应力分布的不利影响, 软岩堆石料与硬岩堆石料的材料性质不应有过大差别。另外, 由表4所示结果可知, 对比竣工期坝体主应力结果, 大坝蓄水后, 水压作用对坝体主应力的影响从上游到下游逐渐减弱, 因此蓄水区软岩越靠近上游其应力增量越大, 这是软岩进入主堆石区作为面板支撑体的原因所致。此外, 需要指出的是, 对于中低坝高来说库水压力不大, 软岩进入主堆石区后受力不大, 能满足抗压强度;但在高坝中如若软岩进入主堆石区作为面板支撑体时, 在强大的水压力下, 软岩可能达到屈服状态, 因此在高面板坝中, 在主堆石区域内使用软岩时要另当别论。

通过以上分析研究, 得出软岩填筑面板堆石坝坝体断面布置和优化设计原则如下。

1) 由常规面板坝断面分区的原则^[4]来看, 上游主堆石区作为水库荷载的主要支撑体, 其一般需采用岩性较好的硬岩来填筑, 软岩一般只能利用在坝体下游次堆石区干燥位置。根据以上分区原则, 常规面板坝中允许利用软岩料填筑的范围较有限。而实际上, 在目前数值计算分析和薄层碾压施工技术的基础上, 可以通过合理调整软岩料分区范围, 在保证坝体稳定和面板受力均匀的基础上, 尽可能增大软岩的使用范围, 从而使工程设计得到进一步优化, 以最大限度地利用软岩料、减小工程投资、提高资源的利用率。

2) 一般来说, 堆石坝中软岩料的使用原则为:在大坝设计中, 讲究“因材设计, 合理分区”原则, 尽量做到大枢纽挖填方平衡。软岩材料分区中, 要保证其底部边界线在大坝运行期处于干燥状态, 并保证大坝排水通畅, 以避免软岩材料受水作用产生湿化变形等^[5]影响坝体稳定性。使用软岩时, 其下游边界线填筑坡度应通过稳定性计算分析确定, 同时为防止软岩料受外界环境影响, 在其边坡外侧需留≥2.0m厚的硬岩保护层。因此, 软岩面板堆石坝断面优化只能从上游边界线入手, 保证在坝体竣工期和蓄水期的应力变形以及面板的应力变形在合理范围内的前提下, 软岩料的使用范围应尽量向坝体上游侧靠近。

3) 软岩很容易受外界环境的影响, 因此在工程施工中应注意施工工艺: (1) 软岩即采即用, 尽量减少或避免二次堆存和倒运; (2) 软岩表面应有≥2.0m厚的硬岩保护层, 以防止软岩继续软化; (3) 软岩料填筑施工过程中, 应防止出现弹簧土、泥化和板结现象, 发现问题需及时处理, 同时施工中如果出现大面积板结或板结层出现在竖向排水区时必须进行除板处理。

4) 软岩坝施工时要严格控制分层填筑的施工速度和时间, 避开坝体沉降高峰期浇筑混凝土面板, 以防坝体大变形造成面板裂缝。