徐 晗，饒錫保，陳 云，楊昕光，潘家軍

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430010）

深厚覆蓋層上高土石壩的防滲體系需要在覆蓋層中設(shè)置混凝土防滲墻，在復(fù)雜的河谷地形及上部壩體自重與水壓力的作用下，混凝土廊道與防滲墻的受力性狀十分復(fù)雜，合理的接頭型式設(shè)計對確保防滲體系的安全至關(guān)重要。

為確保工程安全與防滲效果，廊道與防滲墻之間一般采用剛接型式［1-3］，這樣壩體自重通過混凝土廊道傳遞到防滲墻上，且防滲墻周邊覆蓋層的沉降摩擦作用引起防滲墻出現(xiàn)一定的豎向應(yīng)力，這兩種作用合成后，常使混凝土防滲墻的計算壓應(yīng)力超過混凝土的極限抗壓強(qiáng)度?？稍诜罎B墻頂部與混凝土廊道之間預(yù)留一定空隙［4］，但由于混凝土底座體積大、適應(yīng)變形的能力差，這種接頭的止水構(gòu)造又十分復(fù)雜，止水易破壞且不易修補(bǔ)，因此預(yù)留空隙的接頭型式防滲可靠性較差。

綜上所述，無論是剛接還是預(yù)留空隙的接頭型式均無法適應(yīng)深厚覆蓋層上高土石壩變形控制和防滲結(jié)構(gòu)安全的需要，應(yīng)進(jìn)一步研究混凝土廊道與防滲墻新型連接型式，以確保防滲結(jié)構(gòu)的安全。

1 定向支座連接型式

對于深厚覆蓋層來說，覆蓋層在壩體自重作用下壓縮較大，而防滲墻剛度較大、自身壓縮量較小，因此防滲墻與覆蓋層之間存在較大的沉降差［5］，為了避免防滲墻向上頂壓破壞廊道及防滲墻自身壓應(yīng)力過大，本文提出防滲墻與廊道采用定向支座連接的型式。這種連接型式在壩體竣工前可使防滲墻能自由伸入廊道，由于防滲墻能自由上下移動，避免了廊道將其上部的巨大壩體自重傳遞到防滲墻上，因此不會引起較大的軸向拉、壓應(yīng)力。其計算力學(xué)模型可采用圖1所示的定向支座型式［6］，也可在適當(dāng)時機(jī)將廊道與防滲墻頂端嵌固起來。本文假定定向支座方案在滑動過程中和嵌固后都能夠保證防滲體系的防滲作用有效，只研究其應(yīng)力變形特性。

圖1 防滲墻與廊道相互作用的定向支座力學(xué)模型

2 計算模型與計算條件

設(shè)定心墻壩壩高112 m，覆蓋層深60 m，其中有10 m厚的軟弱黏土夾層，正常蓄水位在壩高110 m處，防滲墻深入基巖內(nèi)1 m。由于混凝土與筑壩材料之間的材料性質(zhì)相差較大，兩者之間存在一定程度的相對滑移，因此在混凝土防滲墻與覆蓋層、混凝土廊道與筑壩材料之間均設(shè)置了接觸面單元，采用Coulomb摩擦定律計算極限剪應(yīng)力，只需要用界面摩擦系數(shù)來表征接觸表面的摩擦行為。根據(jù)三峽二期圍堰的工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土防滲墻與覆蓋層之間普遍存在2～3 cm厚的泥皮［7］，因而其摩擦系數(shù)取0．2，混凝土廊道與筑壩材料之間摩擦系數(shù)取0．6。

對完建期和蓄水期大壩的應(yīng)力與變形特征進(jìn)行分析，完建期和蓄水期對應(yīng)的工況分別為：①完建期，大壩上下游無水荷載，分級模擬大壩施工過程，大壩從建基面最低高程均勻填筑到設(shè)計壩高；②蓄水期，大壩填筑完成后，分級模擬大壩上游蓄水至正常水位。

計算中各壩料采用鄧肯E-B本構(gòu)模型，混凝土采用線彈性本構(gòu)模型。

3 防滲墻應(yīng)力變形分析

設(shè)置的計算方案見表1，混凝土廊道與防滲墻之間的連接型式分別為剛接與定向支座（見圖2）。

表1 計算方案

圖2 混凝土廊道與防滲墻接頭型式

表2為防滲墻應(yīng)力變形極值統(tǒng)計，其中應(yīng)力符號以受壓為負(fù)、受拉為正、沉降以豎直向下為正、向上為負(fù)，水平位移以向下游為正、向上游為負(fù)。防滲墻中軸線豎向應(yīng)力曲線見圖3。

表2 防滲墻應(yīng)力變形極值統(tǒng)計

（1）剛接方案時完建期防滲墻最大壓應(yīng)力為-43．4 MPa，超過 C35混凝土的極限抗壓強(qiáng)度（-40 MPa），沉降最大值為6．1 cm。定向支座方案完建期防滲墻最大壓應(yīng)力為-21．8 MPa，小于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，沉降最大值為2．0 cm。

（2）蓄水期在上游壩體的浮力作用下防滲墻應(yīng)力有所減小，同時位移增大，此時剛接方案壓應(yīng)力最大值為-24．1 MPa，定向支座方案防滲墻有較大的拉應(yīng)力，這是水壓力作用下偏心扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的，定向支座方案防滲墻最大拉應(yīng)力為5．7 MPa。由圖3防滲墻中軸線豎向應(yīng)力沿高程分布曲線可知，定向支座方案防滲墻基本為全斷面受拉狀態(tài)。

可見，定向支座型式的主要優(yōu)點(diǎn)是在完建期允許防滲墻能自由伸入廊道，與防滲墻頂端剛接廊道的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式相比，能充分減小上部壩體的巨大自重經(jīng)過廊道傳遞給防滲墻的壓應(yīng)力，但缺點(diǎn)非常明顯，即蓄水期有較大的拉應(yīng)力。

一般來說，防滲墻在蓄水期有兩種受力性能：①主要荷載為墻體承受上部心墻壩土體傳來的巨大荷重及靜水壓力，主要受力性能為偏心受壓［8］，防滲墻承受很大的壓應(yīng)力；②施工圍堰等工程的防滲墻上部土體壓重不占主要地位，而靜水壓力起主要作用，主要受力性能是彎曲作用。在水壓力作用下防滲墻彎曲會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而蓄水前軸向壓應(yīng)力與水壓力作用引起的拉應(yīng)力合成后可相互抵消，當(dāng)軸向壓應(yīng)力足夠大時，可確保在蓄水后防滲墻仍為偏心受壓構(gòu)件，從而不引起過大的防滲墻拉應(yīng)力。

圖3 防滲墻中軸線豎向應(yīng)力（MPa）

綜上所述，防滲墻與覆蓋層之間存在較大的沉降差，為了避免防滲墻向上頂壓破壞廊道及防滲墻自身壓應(yīng)力過大，要慎重采用剛接方式。但正如前所述，防滲墻頂端蓄水前受到一定的壓應(yīng)力是有益的，因而在壩體填筑完成后將接頭嵌固不合適。

4 定向支座接頭嵌固時機(jī)對防滲墻應(yīng)力變形的影響

上述計算表明，若廊道與防滲墻接頭采用定向支座型式，壩體填筑完成后將廊道與防滲墻頂端嵌固起來，此時雖然完建期防滲墻的壓應(yīng)力減小較多，但是在蓄水期防滲墻拉應(yīng)力較大，幾乎全斷面受拉，不滿足設(shè)計要求。因此，設(shè)置了接頭嵌固時機(jī)方案，當(dāng)壩體填筑到設(shè)計壩高的1／2左右（此時壩高56 m）時將廊道與防滲墻頂端嵌固起來，稱為方案3。重點(diǎn)比較了方案3與方案2的防滲墻應(yīng)力狀態(tài)。方案2與方案3應(yīng)力、變形計算結(jié)果對比見表3。

表3 接頭嵌固時機(jī)對防滲墻應(yīng)力、變形的影響

不同嵌固時機(jī)防滲墻中軸線豎向應(yīng)力曲線見圖4。

圖4 不同嵌固時機(jī)防滲墻中軸線豎向應(yīng)力

由表3可知，方案3無論在完建期還是蓄水期防滲墻始終為受壓狀態(tài)，完建期其壓應(yīng)力最大值為-34．2 MPa，小于剛接方案的（-43．4 MPa），蓄水期無拉應(yīng)力產(chǎn)生，最大壓應(yīng)力為-14．5 MPa，應(yīng)力狀態(tài)較為合理。

對于建在深厚覆蓋層上的高土石壩來說，通過適當(dāng)調(diào)整廊道與防滲墻頂端的嵌固時機(jī)，可以人工控制防滲墻受到的拉、壓應(yīng)力。根據(jù)方案3計算結(jié)果，當(dāng)壩體填筑到設(shè)計壩高的1／2左右時可將廊道與防滲墻頂端嵌固起來，使防滲墻頂端受到一定的壓應(yīng)力，從而在蓄水期水壓力作用下使防滲墻全斷面仍處于受壓狀態(tài)。

5 結(jié) 論

（1）定向支座連接型式的主要優(yōu)點(diǎn)是允許防滲墻能自由伸入廊道，與防滲墻頂端剛接廊道的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式相比，能充分減小上部壩體的巨大自重經(jīng)過廊道傳遞給防滲墻的壓應(yīng)力。

（2）防滲墻頂端蓄水前受到一定的壓應(yīng)力是有益的，在水壓力作用下防滲墻彎曲變形會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而蓄水前的軸向壓應(yīng)力足夠大時，可確保在蓄水后防滲墻仍為偏心受壓構(gòu)件。定向支座型式與剛接型式相比，雖然完建期防滲墻壓應(yīng)力大幅減小，但是蓄水期防滲墻拉應(yīng)力大幅增大。

（3）防滲墻與覆蓋層之間存在較大的沉降差，為了避免完建期防滲墻出現(xiàn)極高的壓應(yīng)力，要慎重采用混凝土廊道與防滲墻剛接型式；對于定向支座接頭型式，不能采用壩體填筑完再將防滲墻與廊道接頭嵌固的方式，避免防滲墻在蓄水期產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

（4）采用定向支座接頭型式，通過適當(dāng)調(diào)整廊道與防滲墻頂端的嵌固時機(jī)，可以人工控制防滲墻受到的拉、壓應(yīng)力。在本次計算參數(shù)取值條件下，當(dāng)壩體填筑到設(shè)計高程的1／2左右時將廊道與防滲墻頂端嵌固起來，可使防滲墻頂端受到小于混凝土極限抗壓強(qiáng)度的壓應(yīng)力，同時在蓄水期水壓力作用下使防滲墻全斷面仍處于受壓狀態(tài)。