朱 晟，林道通，胡永勝，何順賓

（1.河海大學(xué)水文水資源與水利水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610071）

0 引言

我國(guó)西部地區(qū)河流上大壩地基多為深覆蓋層，采用瀝青混凝土心墻與壩基防滲墻共同防滲的土石壩已經(jīng)得到成功應(yīng)用[1-8]。擬建中的黃金坪水電站系大渡河干流水電規(guī)劃 “三庫22級(jí)”的第11級(jí)電站，大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩方案，最大壩高95.5 m。河床覆蓋層最大厚度133.9 m，左右兩岸不對(duì)稱，以散粒體為主。因河床覆蓋層最大厚度達(dá)130余米，考慮到目前國(guó)內(nèi)尚無深度大于100 m的壩基防滲墻的成熟施工經(jīng)驗(yàn)，因此難以直接采用封閉式防滲墻方案；如果采用懸掛式防滲墻加帷幕灌漿方案，由于復(fù)雜的河谷地形及上部壩體自重與水壓力的作用，可能不利于混凝土防滲墻墻體與瀝青混凝土心墻的受力條件[9，10]；而且為了保證施工工期，需要在防滲墻上設(shè)置灌漿廊道，可能存在由于防滲墻復(fù)雜的變形分布使得廊道受力條件惡化的問題。為此，本文針對(duì)壩址超深覆蓋層的特點(diǎn)，擬定若干組不同的壩基防滲方案，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，為選取合理的壩基防滲方案提供依據(jù)。

表1 土石料計(jì)算參數(shù)

1 筑壩材料計(jì)算模型及參數(shù)

不同的壩基防滲方案的大壩應(yīng)力變形性狀數(shù)值分析采用不同的計(jì)算模型，堆石體、瀝青混凝土采用鄧肯E-ν非線性彈性模型，混凝土防滲墻、廊道與基座的材料都為混凝土，采用線彈性模型，計(jì)算參數(shù)見表1～3。

表2 接觸面材料參數(shù)

表3 線彈性材料參數(shù)

2 不同壩基防滲方案的比較分析

2.1 防滲方案的擬定

為了解不同的防滲墻深度與形式 （懸掛式還是封閉式）、廊道的大小、防滲墻與心墻的連接方式（廊道還是基座）等對(duì)大壩結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力的影響，將壩基防滲方案分為7個(gè)組，對(duì)應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值分析研究，不同設(shè)計(jì)方案的具體防滲結(jié)構(gòu)見表4。

2.2 大壩網(wǎng)格剖分與荷載分級(jí)

考慮到壩址超深覆蓋層和壩體分區(qū)特點(diǎn)，對(duì)大壩進(jìn)行了三維有限元網(wǎng)格剖分 （見圖1）。方案①～⑦整個(gè)壩體結(jié)構(gòu)的總結(jié)點(diǎn)數(shù)分別為11 732、11 746、11 732、11 746、10 579、10 298、12 001個(gè)； 總單元數(shù)分別為 10 261、10 277、10 261、10 277、9 405、9 297、11 041個(gè)?？紤]到壩基混凝土防滲墻的底部常存在少量碎石難以清理干凈，影響防滲墻與巖基之間的相互作用，計(jì)算時(shí)設(shè)15 cm厚的沉渣單元來模擬這種相互作用的影響。對(duì)心墻與砂礫料過渡區(qū)之間、混凝土基座或廊道與瀝青混凝土心墻之間，設(shè)置Goodman接觸面單元，模擬兩種材料交界面的位移不協(xié)調(diào)問題。

表4 計(jì)算方案

圖1 大壩有限元計(jì)算網(wǎng)格剖分

考慮到壩體施工分層碾壓填筑和堆石體的非線性特性，采用逐級(jí)施加荷載的方式，瀝青混凝土心墻與大壩堆石體同步填筑上升。本次計(jì)算按壩體施工填筑的先后次序分16級(jí)來模擬，壩體具體填筑分級(jí)見圖2。

圖2 大壩填筑分級(jí)示意

2.3 方案比較與分析

由于正常蓄水期大壩堆石區(qū)和心墻、廊道等防滲體系的應(yīng)力最大，為控制工況，本文只選取了正常蓄水期的應(yīng)力變形性狀進(jìn)行比較。另外，廊道、混凝土防滲墻的拉應(yīng)力為主要控制應(yīng)力，故主要選用第三主應(yīng)力作為比較分析的依據(jù)。各方案正常蓄水期的應(yīng)力、變形計(jì)算極值見表5、6。

表5 正常蓄水期各防滲方案的應(yīng)力計(jì)算極值MPa

表6 正常蓄水期各防滲方案的變形計(jì)算極值cm

2.3.1 防滲墻 （懸掛式）深度的影響

圖3、4分別給出了廊道尺寸相同而混凝土防滲墻深度不同時(shí)防滲墻和廊道的小主應(yīng)力等值線。結(jié)合表5的應(yīng)力極值可以看出，防滲墻深度加深后，大壩與防滲體系的應(yīng)力分布規(guī)律基本不變。滿蓄期廊道的主拉應(yīng)力由3.15 MPa減小到2.83 MPa，且絕大部分為壓應(yīng)力區(qū)；防滲墻最大拉應(yīng)力由2.31 MPa減小到2.18 MPa，防滲墻加深后的拱效應(yīng)有所改善。另外，從大壩堆石區(qū)和防滲體系的變形來看，70 m深防滲墻方案的堆石體豎向位移為108.6 cm，瀝青混凝土心墻的豎向位移為100.7 cm；而90 m深防滲墻方案堆石體的豎向位移為106.2 cm，有所減小，瀝青混凝土心墻的豎向位移為100.6 cm，幾乎不變。防滲墻深度的增加對(duì)大壩的變形與應(yīng)力有利。

2.3.2 防滲墻形式 （懸掛式或封閉式）的影響

圖3 防滲墻小主應(yīng)力等值線（一）（單位：MPa）

圖4 廊道小主應(yīng)力等值線 （單位：MPa）

圖5給出了廊道尺寸相同而壩基防滲形式不同時(shí)防滲墻的大主應(yīng)力等值線分布。由圖5可知，兩種不同的布置方式防滲墻的應(yīng)力差異較大，其中懸掛式防滲墻的大主應(yīng)力極值為24.21 MPa，大于封閉墻方案，且存在明顯的拱效應(yīng)，應(yīng)力條件相對(duì)較差。從表5的應(yīng)力極值來看，當(dāng)采用封閉式防滲墻方案，滿蓄期廊道的主拉應(yīng)力極值為1.86 MPa，防滲墻的最大拉應(yīng)力為1.67 MPa，心墻的豎向應(yīng)力為2.11 MPa；采用懸掛式防滲墻加帷幕灌漿方案，滿蓄期廊道的主拉應(yīng)力極值為2.12 MPa，防滲墻的最大拉應(yīng)力為2.02 MPa，心墻的豎向應(yīng)力為1.70 MPa。可見與采用封閉式防滲墻相比，采用懸掛式防滲墻加帷幕灌漿方案，由于拱效應(yīng)，使得廊道、防滲墻的主應(yīng)力有所增大，分布也更為復(fù)雜。從表6的變形極值來看，大壩堆石體和瀝青混凝土心墻的豎向變形有所減小，堆石體的豎向位移由128.0 cm減小至118.5 cm，心墻的豎向位移則由126.2 cm減小至113.2 cm，主要原因可能是采用封閉式防滲墻時(shí)開挖地基后回填料力學(xué)參數(shù)低于原覆蓋層所致。

圖5 蓄水期防滲墻大主應(yīng)力等值線 （單位：MPa）

2.3.3 廊道尺寸的影響

當(dāng)廊道尺寸減小后，滿蓄期防滲墻的最大拉應(yīng)力和心墻的豎向正應(yīng)力幾乎不變，防滲墻的最大拉應(yīng)力都在2.30 MPa左右，但廊道的最大拉應(yīng)力由3.15 MPa減小到3.02 MPa，可見在本工程河谷地形復(fù)雜的情況下，廊道尺寸的增加使廊道的拉應(yīng)力增大，受力條件不利。但從表6也可知道，廊道尺寸減小后，瀝青混凝土心墻的豎向位移有所增大，由100.6 cm增至102.0 cm，其主要原因是廊道尺寸減小后，在廊道底高程不變的條件下，心墻的高度相對(duì)增大，考慮心墻和堆石體變形的相關(guān)性，使得堆石體和心墻的豎向位移增大。

2.3.4 防滲墻與心墻之間連接方式的影響

圖6給出了地基采用封閉式防滲墻方案、防滲墻與心墻的連接方式不同時(shí)防滲墻的小主應(yīng)力等值線。因采用封閉式防滲墻方案，防滲墻消除了拱效應(yīng)。當(dāng)采用廊道連接時(shí)，混凝土防滲墻的豎向位移為15.3 cm，廊道的最大拉應(yīng)力為1.86 MPa。而采用基座相連時(shí)，防滲墻的豎向位移為14.3 cm，基座的最大拉應(yīng)力為1.03 MPa，拉應(yīng)力值有所降低。但取消廊道采用基座后，由于壩基帷幕灌漿會(huì)延長(zhǎng)建設(shè)工期。

圖6 防滲墻小主應(yīng)力等值線（二）（單位：MPa）

3 結(jié)論

（1）采用懸掛式防滲墻、混凝土廊道和瀝青混凝土心墻共同組成大壩的防滲體系時(shí)，不同防滲方案對(duì)大壩變形的影響各有利弊。從應(yīng)力和變形方面考慮，隨著防滲墻深度的增加，防滲墻拱效應(yīng)有較明顯的改善，堆石體和心墻的豎向位移減小，對(duì)大壩的變形與應(yīng)力有利。廊道尺寸的增加，對(duì)防滲墻、廊道、心墻的受力條件不利，同時(shí)運(yùn)行的可靠性也會(huì)降低。

（2）取消混凝土廊道而在防滲墻頂部設(shè)置基座與瀝青混凝土心墻相連，防滲結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改善了基座與防滲墻的應(yīng)力分布，也降低了其最大拉應(yīng)力值，對(duì)大壩的應(yīng)力和變形有利。但取消廊道后，由于壩基帷幕灌漿干擾大壩施工，將導(dǎo)致樞紐建設(shè)工期的延長(zhǎng)。

（3）采用地基開挖20 m至1 376 m高程后布置封閉式防滲墻方案，墻體不存在拱效應(yīng)，防滲墻與廊道的拉應(yīng)力明顯降低，大壩的應(yīng)力分布最優(yōu)。

綜合考慮大壩的應(yīng)力及變形與施工運(yùn)行條件，壩基宜采用封閉式混凝土防滲墻和小尺寸廊道防滲方案。

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