三峡工程二期围堰防渗墙变形规律及运行状况分析

张小平1，包承纲2，张劲松3
(河海大学 水电学院；2.长江科学院；3.清江市建工局)

摘要：三峡二期围堰于1998年建成挡水，运行状况良好。本文首先根据实际观测资料，分析了三峡二期上游围堰双墙的变形机理，又通过各种情况的有限元计算，包括墙体不同龄期、上游水位变动、墙间水位变动以及改变堰体材料参数对上下防渗墙位移及应力的影响，分析了各种可能的应力状态。所得结果对于防渗墙的安全运行具有指导意义。

关键词：三峡工程；二期围堰；防渗墙；变形规律；实测资料；有限元

收稿日期：1999-08-26
作者简介：张小平(1965-)，女，山西芮城人，长江科学院与河海大学共同培养的博士，研究方向：岩土工程。

1 工程概况

　　三峡二期围堰包括上游围堰和下游土石围堰。上游土石围堰采用低双塑性混凝土墙接土工膜防渗，风化砂壳堰体，堰顶全长1238m，堰顶高程88.5m，最大堰高88.6m，位于基岩40m以上的两岸漫滩部分防渗墙为单墙，河床深槽段为长约150m的双墙，两道墙中心相距6.0m.防渗墙顶高程为73.0m，右岸连接段(长275m)的防渗墙顶高程为79.0m，墙顶以上接土工膜防渗。

下游围堰采用低单塑性混凝土墙方案，风化砂壳堰体，围堰全长1075.94m，堰顶高程81.5m，最大堰高77.5m.二期围堰最大填筑水深达60m，其挡水水头超过85m，防渗墙最大高度为73.5m.上游围堰深槽段设计断面如图1所示。围堰防渗墙材料采用天然风化砂和人工骨料弃料制成的塑性混凝土，其抗压强度R28一般达4～5MPa，初始切线弹性模量为1000MPa左右，模强比200～250.
图1 二期围堰深槽段断面设计

　　二期围堰于97年6月开始填筑，98年5月完成上游围堰第一道墙防渗系统，98年8月全线防渗系统完成，98年6月开始基坑限制性抽水，抽水期间连续经历了长江8次洪峰。在挡水初期，随着水头增大，第一道墙变形速率较快，且水平变形较大，据实测，98年9月10日抽水达到了基坑抽水的设计标高时，上游围堰第一道墙墙体的最大水平位移达570mm，以后进入基坑阶段性抽水阶段。由于上游围堰防渗墙发生了较大的变形，墙体最终会发生多大的变形，在这样的变形下是否会导致墙体开裂等问题是人们普遍所关心的。本文将分析变形较大的上游围堰防渗墙的变形规律和最终变形值。

2 防渗墙及堰体实测资料分析

2.1 防渗墙实测水平位移

　　上游围堰第一道墙0+522深槽段防渗墙98年9月实测的水平位移曲线如图2.由图2可见防渗墙的变形最大部位发生在高程为63m至68m处，随深度增加，其水平位移逐渐减小。深槽段防渗墙的最大水平位移在98年9月基抗抽水达到设计抽干标准时为55.7cm,以后发生持续缓慢的变化，98年12月最大位移达57.9cm，99年7月达58.5cm，超过了原来设计的变形量。根据实测资料分析，防渗墙发生较大水平位移的原因与水头差的变化、施工状况、堰体的变形等因素有关。

2.1.1 上游水位、基坑水位及水头差的影响 图3是防渗墙水平位移与水头差相关过程线(水头差是指上游水位与基坑水位之差).由图3可见防渗墙的水平位移与水头差具有明显的相关关系，即位移随水头差增大而增加。在基坑抽水期间，防渗墙的变形速率平均为6.11mm/d，在洪水期、第二道墙施工和基坑抽水期，防渗墙的最大变形速率达27.76mm/d，可见防渗墙的变形速率也与上下游围堰的水头差呈正相关。

图2 防渗墙水平位移实测曲线和计算曲线 图3 防渗墙水平位移Smax与水头差的关系曲线

2.1.2 下游第二道墙施工的影响 当第一道墙开始挡水时，第二道墙正在全面施工，于是在第一道墙的下游5m左右形成间断的深槽临空面，削弱了下游土体对墙体变形的抗力，使得墙体变形值较大，变形速率也较快，最大达27.76mm/d.一旦第二道墙的槽孔浇注后，则第一道墙的变形就立即减小，例如98年6月26日浇筑二道墙SX-11槽孔，6月27日测得一道墙的变形较6月27日减小9.3mm，又如98年6月30日浇筑二道墙SX-13槽孔，7月1日一道墙的水平变形测值较6月30日测值减小6.74mm.可见第二道墙的施工对第一道墙的变形确有一定的影响。

2.1.3 堰体本身变形的影响 墙体的变形与堰体的变形关系极大，为了分析墙体变形与堰体的变形是否一致，特在深槽段附近渡汛子堰上设监测点，反映深槽段堰体的变形。图4为7月10日开始的不同时段墙体和堰体测斜管所测水平变形值增量过程线，图中墙体变形1是0+500断面墙的水平位移，墙体变形2是0+495断面墙的水平位移。由图可见，墙体和堰体基本同步向基坑方向变形，其数值比较接近。因此说明墙体的变形与堰体的变形是相联系的，堰体的变形影响到防渗墙的变形，墙体的变形与堰体的变形相协调。

2.2 防渗墙的实测应变分析 根据实测，98年6月24日(抽水前)防渗墙的上下游面均为压应变(压应变为负，拉应变为正)，测点布置高程为15.2m、25.2m、35.2m、45.2m，应变的变化范围在-84～-896×10-6之间；抽水后一般多数测点压应变增加，少数测点压应变减小，防渗墙深槽断面上下游侧的应变变化见图5，图中的上游面1、下游面1是指抽水前，上游面2和下游面2是指抽水后。由图可见，抽水后上游面2在15.2m和45.2m高程处压应变剧增，而25m到35m之间压应变较小，分析防渗墙的水平变形实测曲线图2，此段为墙体变形反转处，故压应变减小；下游面墙体抽水后，45m以下墙体压应变增大，但在45m处为墙体变形为凸面，故转为拉应变，拉应变为7×10-6。抽水前后实测应变的大小符合墙体的实际变形规律，说明实测应变是可信的。根据室内试验，墙体材料的极限拉应变为113×10-6，因此，墙体中的拉应变远远小于材料的极限拉应变。另根据防渗墙的水平变形沿高程的分布曲线，求得防渗墙底部3.5m～9.5m的挠度变形较大，约0.183%，防渗墙顶部70.5m～73.5m之间的挠度变形最大，达0.343%，其它部位的挠度变形在0.18%以下。由抗弯试验，材料的极限挠度变形为0.4%(因室内试验无围压作用，故此数据偏于安全)，因此防渗墙是安全的。

图4 墙体和堰体变形增量过程线 图5 墙体实测应变曲线

3 计算成果分析

3.1 计算模型和计算条件 本文采用Duncan-Chang E-μ非线性弹性本构模型对三峡二期上游围堰防渗墙进行有限元计算。堰体共划分540个单元，640个节点，防渗墙沿厚度方向分为三排单元。上游围堰双墙剖面计算网格见图6所示。

　　计算中加荷顺序按照实际的施工情况进行，这与设计时设定的施工程序有所不同，其过程是：平抛垫底沙砾石料至33m；抛填下游截流体、抛填过渡料、抛填上游石渣、抛填风化砂至69m；水上干填碾压至73m；在73m平台上建上游墙；在73m平台上填筑上游“子堤”至83.5m；围堰开始渡汛，上游水位75m；基坑开始限制性抽水；在73m平台建下游墙；碾压填筑至堰顶88.5m高程；围堰进入运行期。
图6 三峡上游二期围堰双墙剖面计算网格

3.2 计算分析

3.2.1 墙体材料龄期对墙体位移、应力的影响 二期围堰防渗墙材料为塑性混凝土，该种材料具有抗压强度随龄期增长而显著增长的特性，不同时期防渗墙材料的力学指标可能远远超过28d时的设计指标，而堰体材料的力学指标却变化不大。因此，不同龄期防渗墙与堰体的变形协调性如何，防渗墙的应力变形如何，是个值得探讨的问题。以下分别采用塑性混凝土28d、60d、90d、和180d龄期的Duncan-Chang E-μ模型不同的参数值，按照实际施工程序以及上游实际水位(98年)上升的高度(最高洪水位76m)，分别计算三峡工程二期围堰双墙剖面堰体和防渗墙的应力及位移，研究塑性混凝土龄期对防渗墙的位移、应力的影响。

　　根据有限元计算结果，按照不同龄期墙体材料参数计算的防渗墙最大水平位移及最大主应力见表2所示，由表2可见，随龄期增长，一、二墙的位移仅有微小的增加，而应力变化较大，28d和180d龄期平均应力水平稍大，而60d\,90d龄期的平均应力水平较小，由此可以说明墙体材料很软或墙体材料很硬，对防渗墙的应力状态都是不利的。随龄期增长，墙体应力虽在增大，但是墙体的抗压强度也在同步增长，且弹性模量增长的幅度小于强度的增长，材料的“模强比”减小，根据统计资料，28d的模强比为249，90d时为218，360d时为208，因此，随龄期增长，围堰的安全度不会降低。60d龄期计算的防渗墙水平位移沿墙体的分布见图2，图2中计算曲线与实测曲线拟合程度较好，说明模型的选用以及计算参数是合理的。

表2 不同龄期墙体材料对防渗墙应力位移的影响
墙体变形 第一道墙应力 第二道墙应力
龄期/d
一墙/cm 二墙/cm σ1m/Mpa σ3m/Mpa ln la σ1m/Mpa σ3m/Mpa ln la
28 55.3 19.6 7.62 -0.36 2 0.746 4.51 -0.21 1 0.534
60 55.6 19.9 8.81 -0.65 0 0.677 4.31 -0.16 0 0.471
90 56.6 20.8 9.6 -0.64 0 0.619 5.57 -0.41 0 0.437
180 57.6 21.2 13.71 -1.82 2 0.773 6.24 -0.43 1 0.535

　　注：σ1m为墙体最大主应力；σ3m墙体最小主应力；ln为墙体中应力水平大于1的个数，la为墙体中平均应力水平。

3.2.2 上游水位变动对墙体应力位移的影响 为了分析上游水位变动时，墙体的位移及应力状态，以及可能的最危险情况，按水位变动实际情况进行了计算。计算工况为上游水位由73m升到85m，再由85m降到69m，然后再升到85m。计算结果如表3所示。墙体材料参数按一墙90d龄期，二墙28d龄期的实际情况计算。由表3得知，上游水位变动对墙体位移的影响较大。当基坑抽水到设计抽干标准，上游水位维持在73m时，一墙的水平变形56.9cm，当上游水位上升至设计标高85m时，防渗墙的水平变形达到64.4cm.但是，上游水位上升对墙体应力的影响不是很大，如图7和表3所示，墙体中最大压应力发生在墙的底部下游面单元，拉应力产生在底部上游面单元。当水位上升时，最大压应力和拉应力稍有增加，墙体中从上到下压应力逐渐增大，墙底单元明显增大，应力水平沿墙体的分布比较均匀，墙底个别单元大于1.由于水位上升时，施加于墙的水压力增大，但同时堰体的容重由湿容重变为浮容重，则施加于墙体的土压力反而减小，两者产生部分抵消，因此，水位上升对墙体的应力影响不大。上游水位上升对第二墙的影响是通过第一墙应力施加于墙间堰体材料而作用于第二墙的，影响规律与一墙相同。当水位再下降到69m时，最大压应力发生在墙体底部的上游侧，拉应力产生在下游侧，墙体中的压应力有较明显的增大。这是由于水位下降时，作用于墙体中的水压力虽减小，但同时堰体的容重由浮容重变为湿容重，使得墙体与堰体之间的摩擦力增大，即堰体对墙体的拖曳力增大，从而增大墙体中的压应力。由图6还可发现，水位降低时应力水平沿墙体的分布从上到下都有一定程度的增加，因此上游水位下降对墙体的应力不利，墙底有个别单元应力水平大于1，但对于塑性材料来说不足以影响墙体的安全性。另一方面，还可看出，当第一次水位升到85m时，一墙的最大位移可能达到64.4cm，但当水位下降再次升到85m时，一墙的最大位移为63.1cm，反而小于第一次水位最高时的位移，因此，当上游水位达到最高水位以后，水位的升降对墙体的最大位移没有影响，也就是说以后每年的洪水位若小于98年特大洪水位，墙体都不会发生显著变形，只有超过第一次洪水位，墙体才有可能发生较大的变形，因此可以认为，在设计的上游最高水位情况下，墙体的最大水平位移不会超过64.4cm.目前防渗墙的变形处于稳定状态。

表3 上游水位不同墙体的应力与位移
计算工况 墙体变形 上墙应力 下墙应力
上游水位/m 墙间水位/m 基坑水位/m 一墙/cm 二墙/cm σ1m/Mpa σ3m/Mpa ln la σ1m/Mpa σ3m/Mpa ln la
73 55 0 56.9 19.6 6.96 -1.22 1 0.636 3.4 -0.41 1 0.509
85 55 0 64.4 26.5 7.54 -2.06 3 0.67 3.56 -0.37 1 0.554
69 55 0 56.2 19.1 7.69 -0.31 4 0.764 4.99 -0.24 8 0.752
85 55 0 63.1 25.3 8.04 -1.79 2 0.655 4.07 -0.35 4 0.623

　　注：σ1m为墙体最大主应力；σ3m墙体最小主应力；ln为墙体中应力水平大于0.9的单元个数，la为墙体中平均应力水平。
3.3 墙间水位不同对防渗墙的应力、位移的影响 为了求得墙间水位的大小对上下游墙应力、位移的影响，计算工况设定为上游水位不变，墙间水位为55m升到73m和55m降到30m及0两种极端情况，基坑水位为0，墙体材料参数按一墙龄期90d，二墙龄期28d.计算得到各种工况下的上、下墙的应力、位移见表4所示。由表可见，墙间水位变动对一、二墙的位移影响很小，但对应力影响较大。由计算得知，最大压应力和拉应力皆发生在墙的底部单元。当墙间水位由55m升至73m时，一墙的最大主应力和拉应力都减小，二墙的最大主应力减小，而拉应力增大，一墙的平均应力水平减小，二墙的平均应力水平增大，说明墙间水位上升对一墙的应力状态有利，对二墙不利。当墙间水位由55m下降到0时，一、二墙的最大主应力、拉应力和平均应力水平都有不同程度的提高，因此墙间水位下降，对一、二墙应力皆不利。
图7 上游墙最大压应力和应力水平沿高程分布

这是因为墙间水位下降，增大了上游水位对一墙的水压力，又增大了墙间填料对二墙的拖曳力。就两种极端状态而言，其最大主应力皆小于其自身龄期内的单轴抗压强度(深槽段塑性混凝土单轴抗压强度R28为8.1MPa)，拉应力小于抗拉强度(70d抗拉强度为1.6MPa)，仅有个别单元应力水平大于0.9，围堰是安全的。

表4 墙间水位不同墙体的应力、位移
计算工况 墙体变形 上墙应力 下墙应力
上游水位/m 墙间水位/m 基坑水位/m 一墙/cm 二墙/cm σ1m/Mpa σ3m/Mpa ln la σ1m/Mpa σ3m/Mpa ln la
73 55 0 56.9 17.5 7.56 -0.96 2 0.669 3.74 -0.47 2 0.574
73 73 0 56.5 17.6 6.83 -0.51 1 0.654 3.62 -0.72 3 0.579
73 30 0 56.8 17.5 7.93 -1.4 3 0.672 3.94 -0.37 3 0.592
73 0 0 56.8 17.4 8.54 -1.5 3 0.674 4.24 -0.41 4 0.595

　　注：σ1m为墙体最大主应力；σ3m墙体最小主应力；ln为墙体中应力水平大于0.9的单元个数，la为墙体中平均应力水平。

4 结论

　　(1)根据实际观测资料分析，防渗墙的变形取决于上游水位和基坑水位的水头差、施工条件(二道墙施工时的临空面加速了一道墙的变形)以及堰体的变形状况。防渗墙的实测拉应变和挠度皆在材料的允许范围内。(2)根据有限元计算，随墙体材料龄期的增长，一、二墙的位移变化很小，应力变化较大。对于风化砂和石屑粉塑性混凝土墙体材料，龄期的变化并不影响围堰的安全。墙间水位的变化对位移影响很小，对应力有一定的影响。两种极端情况下(墙间水位与墙同高和墙间水位为0)，两墙应力仍在安全范围内。上游水位的变动对防渗墙的位移和应力状态都有较大的影响。水位下降时，应力状态反而有变差的趋势。而且应力状态不仅取决于上游水位或墙间水位的高低，还取决于水位的变化过程。(4)目前防渗墙的变形趋于稳定，上游水位的升降对防渗墙的最大位移没有很大的影响，防渗墙处于安全运行状态。

参 考 文 献:

[1] 中国长江三峡工程开发总公司安全监测中心。长江三峡水利枢纽大江截流及二期围堰工程基坑经常性排水前阶段验收报告[R]。1998.

[2] 沈珠江，刘松涛。三峡二期高土石围堰应力应变分析研究[J]。人民长江，1996，(10).