熊 平

(江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

防滲結(jié)構(gòu)對水利工程的運(yùn)營安全具有舉足輕重的作用，在水利大壩、溢洪道、消能池等水工建筑中[1- 2]，研究防滲結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)營安全，有助于推動水工建筑設(shè)計(jì)及運(yùn)營水平。探討防滲墻等防滲結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全，主要可通過靜力安全與動力響應(yīng)抗震特性來評價(jià)。董訓(xùn)山[3]、熊美林等[4]、溫青山[5]為研究防滲墻等水工防滲結(jié)構(gòu)的靜力安全，并探討其應(yīng)力、位移與上覆土層特性關(guān)聯(lián)性，采用數(shù)值計(jì)算方法，從防滲墻的靜力影響變化入手，獲得分析結(jié)果，從而為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。不僅如此，鄧佳等[6]、劉菊蓮[7]、麥麥提明·依比布拉[8]從防滲墻結(jié)構(gòu)自身防滲效果研究入手，采用滲流場模擬計(jì)算方法，獲得了有、無防滲墻結(jié)構(gòu)水利設(shè)施的流速、壓強(qiáng)等水力參數(shù)變化，有助于評價(jià)防滲墻設(shè)計(jì)的合理性與可靠性。從水工設(shè)計(jì)科學(xué)性評價(jià)來看，張富有等[9]、季衛(wèi)星[10]、徐建國等[11]不僅探討防滲結(jié)構(gòu)的靜力特征，同樣采用數(shù)值計(jì)算方法，針對不同工況的防滲墻結(jié)構(gòu)開展地震動力響應(yīng)特征分析，研究了動力響應(yīng)影響變化關(guān)系，為工程抗震設(shè)計(jì)提供了參照。本文為研究Corumana水庫心墻壩防滲結(jié)構(gòu)靜、動力場影響變化，從防滲墻自身材料參數(shù)及設(shè)計(jì)工藝參數(shù)入手，綜合靜、動力場維度影響變化特征，探討防滲墻的設(shè)計(jì)工藝及運(yùn)營參數(shù)最優(yōu)化。

1 研究方法

1.1 工程概況

作為莫桑比克南部馬普托省重要水利樞紐，Corumana水庫承擔(dān)著莫桑比克人民對水資源的渴望，承擔(dān)著地區(qū)水利建設(shè)，為中非友好的重要見證者，設(shè)計(jì)最大庫容量為1.5億m3。

Corumana水庫樞紐工程按照2期規(guī)劃建設(shè)，目標(biāo)乃是提升馬普托省用水安全及保障供水，該樞紐工程建設(shè)水利工程設(shè)施包括引水工程、擋水工程2個(gè)部分，且有發(fā)電設(shè)施、泄流設(shè)施等附屬水利工程建筑。輸供水及引水工程均是一期建設(shè)后投入運(yùn)營，在二期規(guī)劃中提升運(yùn)營能力，而水工防洪建筑乃是一期建設(shè)的重點(diǎn)工程。馬普托省該水庫工程規(guī)劃主壩為心墻堆石壩，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)模型采用瀝青混凝土心墻結(jié)構(gòu)，迎水側(cè)蓄水位為117m，采用分層堆筑施工工藝，包括膨潤土、粉土等堆筑料，心墻壩體蓄水后最大沉降為46.5mm。根據(jù)對Corumana水庫調(diào)研，心墻主壩乃是防洪安全的重要保障，而其自身防滲結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵為厚度1.6m的防滲墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅對壩體自身滲流場安全，也對壩體左、右岸的泄洪閘及溢洪道運(yùn)營安全帶來影響，因而心墻主壩防滲結(jié)構(gòu)乃是設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)。

圖1 心墻堆石壩

1.2 設(shè)計(jì)研究

Corumana水庫心墻壩高度為45.5m，主軸線長度為3.05km，局部沉降穩(wěn)定在0.5～2mm，心墻堤頂寬度為3.6m，曲率為6.5×10-4，彎曲段長度為0.35m，壩體防滲要求最大滲透坡降不可超過0.177，心墻剖面幾何設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 心墻剖面幾何設(shè)計(jì)(單位:m)

心墻壩體防滲墻進(jìn)入基巖深度為2m，壩體所在場地距離馬普托省地質(zhì)大斷裂帶直線距離為12.5km，局部區(qū)域地震等地質(zhì)構(gòu)造活動較活躍。為此，工程設(shè)計(jì)部門從防滲結(jié)構(gòu)靜、動力2個(gè)維度綜合考慮其安全性。

采用CAD平面幾何工具建立心墻壩體模型，并導(dǎo)入HyperMesh網(wǎng)格劃分平臺[12]，生成心墻壩體結(jié)構(gòu)三維有限元模型，且從壩體防滲結(jié)構(gòu)靜、動力場研究角度考慮，取心墻壩3+120～3+320區(qū)段內(nèi)模型為研究對象，如圖3(a)所示。該模型中河道長度為2倍壩高，這也是主軸線心墻壩體研究范圍，壩基為3倍壩高深度，包括基巖及上覆蓋層等，網(wǎng)格單元為四邊形幾何體，模型計(jì)算單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為389268、376256個(gè)。防滲墻結(jié)構(gòu)為本文研究重點(diǎn)，因而提取防滲墻結(jié)構(gòu)獨(dú)立模型如圖3(b)所示，心墻與防滲墻接觸面上為薄層殼體單元接觸，而心墻與壩基間具有防滲墊層，故在接觸面設(shè)置cohesive接觸面元面，厚度為0.1m。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

研究模型靜力場輸入外荷載包括各級加載的堆筑料自重荷載，也包括迎水側(cè)靜水壓力等，靜力場研究工況包括蓄水期與竣工期，分別對應(yīng)有、無水工況，有水工況迎水側(cè)水位按照蓄水期水位117m計(jì)算，且以防滲墻結(jié)構(gòu)彈性模量為材料參數(shù)影響因素，以初始防滲墻結(jié)構(gòu)彈性模量0.8GPa為基準(zhǔn)，分別探討防滲墻模量為1.2GPa(1.5倍)、1.6GPa(2倍)、2GPa(2.5倍)、2.4GPa(3倍)時(shí)結(jié)構(gòu)靜力場特征。動力場研究重點(diǎn)為防滲墻結(jié)構(gòu)，輸入荷載為馬普托地震波，該動荷載時(shí)程曲線如圖4所示，采用振型分解方法進(jìn)行動荷載疊加計(jì)算，初始基頻峰值加速度為0.2g。

圖4 馬普托地震波時(shí)程曲線

在動力場計(jì)算中，不僅考慮防滲墻初步擬定的厚度1.6m方案，也設(shè)定厚度1.2、1.4、1.8、2m 4個(gè)對比方案，且在馬普托地震波基頻基礎(chǔ)上，設(shè)置0.15、0.25、0.3g 3個(gè)對比研究工況。壩體結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)按照實(shí)際工程材料取值，分別計(jì)算探討心墻壩防滲結(jié)構(gòu)靜、動力維度下響應(yīng)特征。

2 心墻壩防滲結(jié)構(gòu)靜力特征

2.1 應(yīng)力特征

為研究心墻壩防滲結(jié)構(gòu)靜力場特征，本文從計(jì)算結(jié)果中提取獲得心墻、防滲結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力特征，如圖5所示。

由圖5中拉應(yīng)力變化可知，竣工期防滲墻與心墻結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力隨防滲墻彈性模量均為遞增變化，表明防滲結(jié)構(gòu)的彈性模量參數(shù)會促進(jìn)防滲體系張拉應(yīng)力產(chǎn)生，降低結(jié)構(gòu)抗拉特性；在防滲墻彈性模量0.8GPa時(shí)心墻結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為1.73MPa，而防滲墻模量為1.2、2、2.4GPa時(shí)，心墻結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分別增長了13.5%、37.7%、57.7%，同理防滲墻結(jié)構(gòu)在后三者方案總最大拉應(yīng)力較前者也分別增大了16.3%、51.9%、68.3%；由此可知，控制防滲墻結(jié)構(gòu)彈性模量，有助于減弱壩體結(jié)構(gòu)張拉破壞危險(xiǎn)，提升結(jié)構(gòu)靜力安全[13]。整體上看，當(dāng)防滲墻結(jié)構(gòu)每增大0.4GPa，則可引起心墻、防滲墻2個(gè)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力分別增大12.1%、16.7%，也表明了防滲墻結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力受其自身模量參數(shù)影響敏感度更高。從拉應(yīng)力值來看，心墻在研究方案中分布為1.73～2.73MPa，而防滲墻結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力較前者結(jié)構(gòu)部位分別具有增幅78.7%～97.2%，即防滲墻結(jié)構(gòu)受拉程度高于心墻，結(jié)構(gòu)監(jiān)測時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注于此。蓄水期心墻與防滲墻結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力受防滲墻模量影響變化仍與竣工期一致，但相比之下，受墻體模量影響變幅減弱；從總體方案變幅可知，當(dāng)墻體結(jié)構(gòu)模量遞增0.4GPa，心墻與防滲墻結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力分別提高7.7%、10.5%。不僅于此，相比竣工期拉應(yīng)力值，蓄水期拉應(yīng)力有所降低，心墻與防滲墻在5個(gè)模量方案中分別減少了42.3%～49.8%、43.3%～51.5%。由此說明，蓄水期工況會減弱竣工期結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力，此現(xiàn)象與蓄水期靜水壓力上漲，平衡一部分張拉應(yīng)力有關(guān)?？傮w來看，防滲墻彈性模量控制在較低水平時(shí)，對結(jié)構(gòu)靜力安全更為有利。

2.2 變形特征

靜力場特征中不僅有結(jié)構(gòu)應(yīng)力，也存在結(jié)構(gòu)變形，竣工期與蓄水期防滲墻結(jié)構(gòu)水平與豎向變形特征如圖6所示。

分析位移特征可知，竣工期內(nèi)防滲墻體彈性模量愈大，防滲墻結(jié)構(gòu)豎向位移愈大，而水平向位移隨之變化較?。划?dāng)墻體模量為0.8GPa時(shí)，防滲墻結(jié)構(gòu)豎向位移為5.8mm，而模量為1.2、1.6、2.4GPa時(shí)豎向位移分別增大了10.6%、23.2%、46.2%，模量每變化0.4GPa，可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向位移增幅10.1%。不同于此，防滲墻結(jié)構(gòu)水平位移變幅較小，特別是在墻體模量低于1.6GPa時(shí)，其水平位移穩(wěn)定值約為3.63mm，而墻體模量為2、2.4GPa方案時(shí)相比前3個(gè)方案位移穩(wěn)定值分別僅增長了14%、25.2%。筆者認(rèn)為，改變防滲墻結(jié)構(gòu)彈性模量，對結(jié)構(gòu)水平位移影響較小，但豎向位移受之影響較大，結(jié)構(gòu)自重在防滲體系中具有主導(dǎo)作用[14]。

當(dāng)處于蓄水期時(shí)，位移值整體水平均高于竣工期，如水平位移相比增長了33.5%～40.7%，其中以墻體模量2.4GPa方案的增幅為最大，而墻體模量在低于1.6GPa時(shí)增幅較低。防滲墻結(jié)構(gòu)豎向位移在蓄水期中增長了43.5%～60.5%，其影響幅度也高于水平位移，表明結(jié)構(gòu)豎向位移不僅受墻體模量影響更為敏感，也受有、無水工況運(yùn)營影響。在蓄水期，當(dāng)墻體模量每遞增0.4GPa，可引起結(jié)構(gòu)豎向位移增大11.5%，而水平位移的變幅僅為6.2%。綜合分析可知，控制防滲墻彈性模量，可有效減少防滲墻體沉降變形，且可控制防滲墻水平向位移，保障結(jié)構(gòu)靜力場運(yùn)營安全。

圖5 心墻與防滲墻結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力影響變化特征

圖6 防滲墻結(jié)構(gòu)位移影響變化特征

3 心墻壩防滲結(jié)構(gòu)動力特征

基于不同基頻幅值地震波荷載的動力響應(yīng)特征計(jì)算，獲得了不同防滲墻厚度方案下墻體結(jié)構(gòu)上加速度響應(yīng)最大值變化特征，如圖7所示。

由圖7可知，竣工期墻體結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值隨防滲墻厚度為遞增變化，地震波幅值0.15g時(shí)，墻體厚度每遞增0.4m，可引起防滲墻最大加速度響應(yīng)值增長25.5%，而基頻為0.2g、0.3g時(shí)，防滲墻最大加速度響應(yīng)值隨厚度參數(shù)的變幅分別為20.4%、14.6%，即基頻愈大，則防滲墻受其自身厚度影響敏感愈低。同時(shí)，加速度響應(yīng)值在墻體厚度各方案中影響變幅有所差異，4個(gè)基頻方案在墻體厚度1.6m前、后梯次內(nèi)，分別具有較低、較大的加速度響應(yīng)增幅，以基頻0.2g方案為例，在墻體厚度1.2～1.6與1.6～2m方案內(nèi)，響應(yīng)值分別具有平均增幅9.1%、22.3%，故墻體厚度在動力響應(yīng)值較低增幅區(qū)域內(nèi)更為合適[11，15]。

蓄水期加速度響應(yīng)值整體水平低于竣工期，在基頻為0.3g時(shí)，各厚度方案中響應(yīng)值相比竣工期減少了10.7%～17.2%。當(dāng)然，蓄水期動力響應(yīng)值隨厚度或隨基頻變化特征與竣工期類似，墻體厚度為1.6m時(shí)加速度響應(yīng)值變幅更利于抗震設(shè)計(jì)。綜合有、無水2種工況，控制墻體厚度小于1.6m乃是更為理想的抗震設(shè)計(jì)方案。

圖7 順層岸坡的加速度響應(yīng)特征

4 結(jié)論

(1)防滲墻與心墻拉應(yīng)力隨防滲墻彈性模量均為遞增，但防滲墻拉應(yīng)力高于心墻；蓄水期2種結(jié)構(gòu)部位拉應(yīng)力變化類似，但整體量值水平及變幅均低于竣工期。

(2)受墻體模量影響，防滲墻豎向位移敏感度高于水平位移，且蓄水期位移值高于竣工期，特別以高模量方案增幅更顯著。

(3)防滲墻加速度響應(yīng)值與墻體厚度為正相關(guān)關(guān)系，且墻體厚度超過1.6m，響應(yīng)值增幅較大，地震波基頻愈大，防滲墻動力響應(yīng)值受墻體厚度影響愈敏感；蓄水期動力響應(yīng)值變化與竣工期類似，但響應(yīng)值水平弱于后者。