深覆蓋層上面板堆石壩壩體與覆蓋層相互作用研究

吳建春，李 榮，徐澤平

（1.河海大學水利水電工程學院，江蘇 南京 210098；2.南京市水利規劃設計院，江蘇 南京 210016；3.中國水利水電科學研究院，北京 100044）

0 前 言

在土石壩工程中，壩基為深厚沖積覆蓋層的情況非常普遍，此時，深覆蓋層的防滲處理以及覆蓋層與上部壩體的相互作用關系往往是大壩工程設計和安全運行的關鍵所在。對于坐落在砂礫石覆蓋層上的面板堆石壩，其地基處理一般采用以下三種方式：（1）將覆蓋層全部挖除；（2）趾板開挖后置于基巖上，而壩體建于砂礫石層上；（3）將趾板置于砂礫石層上，并采用混凝土防滲墻處理地基。對于第一種處理方式，只有當地基覆蓋層很淺或覆蓋層中有特殊的地層情況時才采用。第二種處理方式是目前我國面板堆石壩建設中最常用的地基處理方式，如西北口、烏魯瓦提、珊溪和黑泉等。但這種處理方式在壩基覆蓋層很深的情況下，勢必會造成工程量的增大和工期的延長，同時，如果開挖過深的話，還會引起反滲水壓對墊層的破壞。因此，對于深厚覆蓋層上的面板堆石壩，在條件適合的情況下，采用垂直防滲的方案將是一種較為有效的處理方式。目前，國際上，智利已建成了兩座采用垂直防滲方案的深覆蓋層上的面板堆石壩（圣塔約納：壩高67 m，覆蓋層35 m；帕科拉羅：壩高83 m，覆蓋層厚113 m），而我國目前已建成的梅溪（壩高40 m）和岑港（壩高27.6 m）面板壩也是采用垂直防滲方案的深覆蓋層上面板堆石壩。主要結合壩高107 m的新疆察汗烏蘇面板砂礫石壩（地基覆蓋層厚40 m），采用數值計算的方法分析深覆蓋層上面板堆石壩的應力變形特性和壩體與壩基的相互作用關系，在此基礎上，對深覆蓋層的垂直防滲結構形式進行研究。

1 深覆蓋層上面板堆石壩的斷面設計形式

在深覆蓋層上采用垂直防滲方案的面板堆石壩是利用混凝土防滲墻處理地基，將趾板直接置于砂礫石地基上，并用趾板或連接板將防滲墻和面板連接起來，接縫處設置止水，從而形成完整的防滲系統。采用這種方式的深厚覆蓋層上的面板堆石壩，在其壩體結構形式的布置上，一般都將混凝土防滲墻布置在上游壩腳以外的一定距離，混凝土防滲墻的施工與壩體的施工可以同時進行，互不干擾，待施工期壩體和地基的變形相對穩定后，再澆筑趾板和連接板，以盡量減少趾板與防滲墻之間的差異變形。對于趾板與防滲墻之間的連接，有采用趾板直接連接的，如我國的梅溪、岑港，也有采用連接板連接的，如智利的圣塔約納和帕克拉羅。趾板或連接板與防滲墻頂一般采用平接的形式，其接縫按周邊縫處理。如采用連接板形式，中間還可設置伸縮縫，以更好地適應地基不均勻沉陷變形。

對于采用垂直防滲墻處理深厚覆蓋層，以往的工程實踐表明，防滲墻與上部壩體防滲體的連接部分往往是大壩～地基整個防滲系統的最薄弱環節，同時，地基覆蓋層、防滲墻與上部壩體的相互作用也是影響大壩安全的重要因素。

2 分析方法

2.1 計算模型

計算分析中，壩體和地基砂礫石以及壩體下游堆石等土石材料均采用鄧肯-張雙曲線非線性彈性E-B模型，基巖、混凝土面板、混凝土防滲墻和連接板等材料采用線彈性模型。

鄧肯模型的模量計算公式分別為：

切線彈性模量

切線體積模量

卸荷時，采用卸荷彈性模量

式中，σ1和σ3為最大和最小主應力；Pa為大氣壓力；c和?為強度指標；Rf為破壞比；K為彈性模量數；n為彈性模量指數；Kb為體積模量數；m為體積模量指數；Kur為卸荷彈性模量數。

2.2 接觸面及接縫系統的模擬

計算分析中，在面板與墊層、趾板與地基、連接板與地基、防滲墻與地基之間，由于材料性質相差懸殊，在外力作用下，通常都會表現出與連續體不同的剪切滑移、脫開分離等特殊的變形特征，因此，計算分析中需要采用特殊的單元來加以模擬，以準確、真實地反映壩體各部位相互作用的特性。事實上，從實際工程的觀測和試驗室的試驗中均可發現，在兩種材料性質相差懸殊的介質之間，一般都會在材料性質相對較弱的一面形成一個薄層的剪切帶，因此，采用薄層接觸面單元來模擬不同材料之間的接觸情況可能會更接近實際。

對于薄層接觸面單元，接觸面上的變形可以分為基本變形和破壞變形兩部分。正常受力情況下，單元產生基本變形｛ε'｝，其材料的本構關系與墊層料一致，薄層單元在計算過程中按普通實體單元參與計算。當剪應力達到抗剪強度產生了沿接觸面的滑動破壞或接觸面受拉產生了拉裂破壞時，單元產生破壞變形｛ε''｝，破壞變形采用剛塑性假定，即假定接觸面單元破壞前，接觸面上無相對位移，當接觸面發生張裂和剪切變形時，則相對位移將不斷發展。

對于接觸面上的破壞變形｛ε''｝，可以用下式表示：

式中，E''和G''分別是反映拉裂破壞變形和滑動破壞變形的模量參數。平行于接觸面方向上的正應變由于受到混凝土的約束不會發生破壞，因此可取Δεs''=0，對應的[C]''矩陣中的相應元素取為0。

接觸面的總變形為基本變形和破壞變形的疊加：

程序中薄層單元的形式與常規的實體單元相同，對于面板與墊層之間的接觸面，薄層單元取墊層材料的本構關系，對趾板與地基以及連接板與地基之間的接觸面，薄層單元取地基砂礫石材料的本構關系，而對于地基中混凝土防滲墻與周邊砂礫石層的接觸面，考慮到防滲墻造孔時的泥漿固壁過程，因此，薄層單元取泥皮的本構關系。在正常受力情況下，薄層單元在計算過程中按普通實體單元參與計算，但接觸面之間的剪應力超出抗剪強度后，則采用降低模量的方式進行剪切破壞法處理；當接觸面之間的法向正應力為零或為負時，程序中同樣也要采用受拉破壞法處理。對于防滲墻與連接板、連接板與連接板、連接板與趾板、趾板與面板之間的接縫，則采用軟單元的方式對接縫的柔性材料進行模擬。當接縫受壓時，軟單元取混凝土材料的性質；當接縫受拉時，軟單元取柔性填料的性質。

3 計算結果

計算分析所得壩體和地基的應力、變形分布如圖1～2所示，圖3為壩體及地基的整體變形趨勢，圖4、圖5為連接板變形趨勢，竣工期和蓄水期壩基防滲墻的變形如圖6所示。

圖1 蓄水期壩體和地基的水平位移（單位：m）Fig.1 Horizontal displacement of dam body and foundation during water storage

圖2 蓄水期壩體和地基的垂直位移（單位：m）Fig.2 Vertical displacement of dam body and foundation dur-ing water storage

圖3 蓄水期壩體及地基的網格變形圖Fig.3 Mesh deformation of dam body and foundation during water storage

圖4 竣工期連接板的變形圖Fig.4 Deformation of connecting plate during completion of construction

圖5 蓄水期連接板的變形圖Fig.5 Deformation of connecting plate during water storage

圖6 壩基防滲墻位移（單位：m）Fig.6 Displacement of diaphragm wall

4 計算成果分析

從壩體及地基的網格變形圖上（圖3）可以看出，壩基覆蓋層對上部壩體的變形有著明顯的影響。對于修建在基巖上的壩體，基巖的沉降變形微乎其微，因此，壩體的變形主要是壩體在其自重和水荷載作用下的變形。而對于修建在深覆蓋層上的壩體，可壓縮的地基層在上部壩體的作用下將導致壩體建基面產生一個下凹的變形，因此，壩體最大沉降的位置明顯下移，而且，在壩頂也會產生向內凹陷的變形趨勢。

就面板而言，它以堆石體作為其支撐，壩基覆蓋層對壩體變形的影響也必然會導致面板位移和應力的變化。從竣工期面板的變形曲線上看，由于壩頂的變形，竣工期面板頂部也有可能產生一定程度的脫空。從趾板與連接板的變形圖中（圖4、圖5）可以看出，由于趾板直接置于覆蓋層上，而覆蓋層在壩體和水荷載的作用下將產生一定的變形（尤以蓄水期為甚），因此，趾板所頂托的面板也會產生相應的變形，變形的趨勢主要以向下的沉降變形為主。不過，盡管如此，從面板位移和應力的數值上看，這種由覆蓋層變形所引起的面板位移和應力的變化仍在工程可以接受的范圍內。

由于地基覆蓋層在上部壩體的作用下將產生下凹的沉降變形，而且覆蓋層底部受相對不變形的基巖約束，因此，地基覆蓋層將產生從壩中線分別向上、下游方向的位移，并因此導致防滲墻向上游方向的變位，這種變形趨勢在竣工期最為明顯。蓄水以后，防滲墻受上游水荷載的推力作用，防滲墻被推回至原位置附近。

由于防滲墻底端受基巖約束，頂端變形量最大，因此，防滲墻底部和頂部均有拉應力出現，且頂部的拉應力相對較大。在竣工期，墻體由于受到來自其下游側的壩基砂礫石的推擠作用，導致墻體產生下游面受拉、上游面受壓的受力趨勢。蓄水后，防滲墻在水荷載的作用下向其原位置復位，這種受力趨勢將在一定程度上得以抵消。不過，以上分析是基于防滲墻自身沿上下游方向變形得出的。應該注意的是，對于深覆蓋層中的防滲墻，其周邊砂礫石的沉降變形所造成的對墻體的摩擦拖曳力也是一個不可忽視的外部荷載，而且，隨著墻體變位的不同，墻體所受的主、被動土壓力也不同。另外，在蓄水期，墻頂還會承受較大的庫水壓力。因此，防滲墻的綜合受力狀態較為復雜，總體而言，以受壓為主。

從竣工期和蓄水期防滲墻的應力分布（圖7、圖8）可以看出，防滲墻的頂部和底部會產生拉應力區，而且，以頂部的拉應力為大，因此在工程設計與施工中，對這些部位應予以特別重視。

圖7 竣工期防滲墻中部的大、小主應力Fig.7 Maximum principal stress and minimum principal stress at the middle of diaphragm wall during completion of construction

圖8 蓄水期防滲墻中部的大、小主應力Fig.8 Maximum principal stress and minimum principal stress at the middle of diaphragm wall during water storage

從圖4和圖5可以看出，連接板變形受壩基沉降變形的影響，竣工期，連接板與混凝土防滲墻之間一般均會產生張拉縫，但尚不會出現錯動。蓄水以后，由于連接板受其下部地基砂礫石沉降變形的影響較大，因此，在連接板與防滲墻之間將會產生較大的錯動變形。由此可見，連接板與防滲墻之間的差異變形主要由蓄水造成。

修建于深厚覆蓋層上的面板堆石壩，其壩基防滲墻與趾板的連接是關系到工程安全的重要部分。從以往的工程設計上看，有的工程采用了連接板將防滲墻與趾板連接起來，也有工程采用趾板直接連接防滲墻。對壩基不均勻沉降的適應性而言，采用連接板方案較為有利，但由此也會增加接縫的數量，可能會造成整個連接系統可靠性的降低。因此，在實際工程中應結合工程的具體情況加以選擇。不過，無論是否采用連接板，趾板與壩基防滲墻之間均應保持一個適當的距離，以盡可能協調趾板與防滲墻的相互作用關系。

從竣工期地基覆蓋層的變形趨勢上看，距壩中線越遠的部位受壩基沉降變形的影響越小。而在水庫蓄水的情況下，由于水平放置的連接板將直接承受庫水壓力的作用，所以，連接板（或趾板）長度越長，其受力面積越大。因此在這兩方面因素的影響下，防滲墻的變形與連接板（或趾板）長度之間呈現出以下的相關關系：連接板（或趾板）長度越長，竣工期防滲墻向上游的變位越小，但在蓄水期向下游方向的變位越大；反之，連接板（或趾板）長度越短，竣工期防滲墻向上游的變位越大，但在蓄水期向下游方向的變位越小。由此可見，防滲墻的變形與連接板（或趾板）的長度密切相關，而且，針對不同工程的具體情況，應該客觀存在一個對于防滲墻應力、變形狀態最優的長度，這個長度可以通過多方案的計算對比分析得出。

5 結 語

對于修建在深覆蓋層上的面板堆石壩，應盡可能避免采取大量開挖的處理方式。其較為合理的結構形式是采用垂直防滲處理方案，利用混凝土防滲墻作為地基防滲措施，將趾板直接置于砂礫石地基上，并用趾板或連接板將防滲墻和面板連接起來，接縫處設置止水，從而形成完整的防滲系統。在這種情況下，工程設計的關鍵是要保證防滲墻、連接板和趾板的變形協調和強度方面的要求。

就深覆蓋層與上部壩體的相互作用關系而言，壩基覆蓋層在上部壩體的作用下將產生沉降變形和沿壩中線向上、下游方向的位移，而這種變形趨勢又對壩體的整體應力變形性狀產生明顯的影響，導致壩體最大沉降區域的下移、壩頂產生向內凹陷的變形，并有可能引起一期和二期面板頂部與壩體間產生局部脫開的趨勢。不過，這種影響可以通過合理的設計將其限定在一定范圍之內，從而保證工程的安全運行。

由于深覆蓋層與上部壩體的相互作用，趾板與防滲墻之間連接板的長度對防滲墻的應力和位移有著明顯的相關關系，連接板長度過長和過短都將對防滲墻的應力和位移產生不利影響。一般而言，針對不同工程的具體情況，應該客觀存在一個對于防滲墻應力、變形狀態最優的長度，這個長度可以通過多方案的計算對比分析得出。

[1]蔣國澄,傅志安，鳳家驥.混凝土面板堆石壩工程[M].湖北科學技術出版社,1997.

[2]Cooke J.B.Progress in Rockfill Dams[J].Journal of Geotech-nical Engineering,ASCE,1984(110).

[3]Cooke J.B.Rockfill and Rockfill Dams[C].Proceedings of In-ternational Symposium on High Earth-rockfill Dams.Chinese Society of hrdro-electric Engineering(CSHEE),1993.

[4]G.Noguera,L.Pinilla,L.San Martin.CFRD Constructed on Deep Alluvium[M].J.Barry Cooke Volume——Concrete Face Rockfill Dams.

[5]水利水電建設總局.砂礫石壩基防滲處理技術經驗總結[J].水利水電技術,1962.

[6]鳳家驥.建造在覆蓋層上的混凝土面板堆石壩[C].中國混凝土面板堆石壩十年學術研討會論文集.北京：中國水力發電工程學會,1995.

[7]Anguita P.,P.Alvarez L.,Vidal L.Two Chilean CFRD's De-signed on Riverbed Alluviums[C].Proceedings of International Symposium on High Earth-Rockfill Dams.Beijing:CSHEE,1993.