大河沿水庫超厚覆蓋層上防滲系統(tǒng)應力變形特性研究

黃華新，謝南茜，秦 強

(1.湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙410007；2.青海大學，青海西寧810016)

0 引 言

大河沿水庫壩址區(qū)河床堆積為中等至強透水層的第四系全新統(tǒng)沖積含漂石砂卵礫石層，覆蓋層厚84～186 m。該大壩的防滲系統(tǒng)主要由瀝青混凝土心墻、基座和混凝土防滲墻三部分組成，設計選用了全墻形式剛性混凝土防滲墻作為基礎防滲，墻體最大深度186.14 m，為目前世界上最深混凝土防滲墻工程，壩體采用瀝青混凝土心墻作為防滲體系，基礎和壩體之間通過混凝土基座進行連接。由國內(nèi)外經(jīng)驗可知[1- 4]，在復雜的受力狀況下，防滲系統(tǒng)易產(chǎn)生形態(tài)各異的裂縫，從而導致滲漏和滲透事故的發(fā)生。在項目實施過程中，隨著壩體填筑深度的增加，附加荷載會不斷變大，又因心墻與壩殼料之間存在剛度差異，從而導致不均勻沉降的發(fā)生；心墻在混凝土防滲墻頂托力的作用下，會產(chǎn)生縱向裂縫；因覆蓋層剛度較小，從而引起混凝土防滲墻受力條件復雜，以致墻體有壓碎的危險和可能在墻頂兩側產(chǎn)生拉裂縫；混凝土基座兩岸深入基巖內(nèi)部，在基巖與覆蓋層相接部位，容易形成應力集中效應，從而產(chǎn)生基座裂縫、磽磧[5- 7]。為進一步了解大河沿水利樞紐工程在復雜狀態(tài)的應力分布和位移變形情況，本文選用三維非線性有限元法，對其防滲系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬分析，以為今后類似的項目設計和大河沿水利樞紐工程后續(xù)施工提供參考。

表1 壩料模型計算參數(shù)

1 工程概況

大河沿水利樞紐工程擋水建筑物為瀝青混凝土心墻砂礫壩，最大壩高75 m，壩體分上游圍堰區(qū)、砂礫壩殼料區(qū)、過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、排水棱體。瀝青混凝土心墻為垂直式心墻，壩體填筑材料主要為砂礫石，心墻與上下游砂礫壩殼之間設2.0 m厚的過度層。壩址區(qū)河床覆蓋層厚度最大達186 m，且以散粒體為主，為分層結構，上部為砂礫石夾粉質壤土及碎塊石，下部為碎屑砂礫石。根據(jù)滲流控制要求，河床中設置剛性混凝土防滲墻，墻底直接深入基巖內(nèi)1 m，最大深度為186 m。壩體及防滲系統(tǒng)典型剖面如圖1所示。

圖1 瀝青混凝土心墻壩最大橫剖面示意(單位：mm)

2 計算模型及仿真過程

2.1 計算模型

選用三維非線性有限元法對大河沿水利樞紐工程防滲系統(tǒng)在填筑期和蓄水期間的應力狀態(tài)進行數(shù)值模擬。因瀝青混凝土由礦物骨料、瀝青膠結料和孔隙共同組成，為具有空間網(wǎng)狀結構的多相分散體系，在常溫下可看作是粘聚性較強的散粒體材料，其破壞規(guī)律可歸結為剪切破壞，故選用鄧肯E-B模型對瀝青混凝土心墻的應力變形特性進行模擬；選用鄧肯E-B模型對壩體填料、壩基覆蓋層和瀝青混凝土材料進行模擬；選用線彈性模型對壩基防滲墻、基座進行模擬；采用Goodman單元對混凝土防滲墻與覆蓋層、基座與覆蓋層及其周圍壩體之間的接觸情況進行模擬[8- 11]。各參數(shù)賦值情況分別見表1和表2。

表2 線彈性本構模型計算參數(shù)

根據(jù)壩料分區(qū)和壩體填筑過程，劃分的三維有限元計算網(wǎng)格模型分別見圖2和圖3，計算網(wǎng)格分包包含98 219個節(jié)點和93 838個單元。

圖2 計算模型

圖3 防滲系統(tǒng)

3.2 仿真模擬過程

考慮到壩體施工分層碾壓填筑和堆石體的非線性特性，荷載采用逐級施加的方式，瀝青混凝土心墻與大壩堆石體同步填筑上升。計算按壩體施工填筑的先后順序分29級來模擬，具體加載過程見表3。蓄水過程中考慮了水對心墻的壓力及水對上游壩殼的浮力作用，未模擬蓄水后的壩體填料濕化效應和流變效應。

表3 分級施工及蓄水

表4 瀝青混凝土心墻應力和變形極值

4 防滲系統(tǒng)計算結果

4.1 瀝青混凝土心墻變形與應力變化規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場情況，對防滲系統(tǒng)在不同時期的應力情況進行仿真模擬。由模擬結果可知：瀝青混凝土心墻在填筑期的最大豎向位移量為50.32 cm，發(fā)生在壩高約1/2處(圖4a所示)；在填筑結束后，瀝青混凝土心墻在水平方向的位移由兩岸變?yōu)楹庸戎行模笾屡c河谷走向一致；當水位達到正常蓄水位時，瀝青混凝土心墻的最大豎向位移量為49.30 cm(圖4b所示)，其向下游發(fā)生位移，最大位移量為37.00 cm。具體計算結果分別見表4和圖4。

圖4 心墻沉降分布等值線(單位：m)

圖5為不同時期的心墻應力等值線分布。由圖5可知：在填筑期，瀝青混凝土心墻的第一主應力和豎向正應力均隨著高程的降低而逐漸增大，近似于平行分布。心墻的主應力最大值發(fā)生在瀝青混凝土心墻底部；在填筑期和蓄水期間，瀝青心墻基本上都處于受壓狀態(tài)，僅在左、右岸頂部出現(xiàn)小范圍內(nèi)的拉應力，其最大值為40.0 kPa。一般瀝青混凝土心墻的極限拉伸強度約為1.0～1.5 MPa，彎曲拉伸強度多為2.0～3.0 MPa。因此，瀝青混凝土心墻的拉應力不會影響其防滲性能，仍有較大安全儲備。同時，瀝青混凝土心墻在任意高程處的第一主應力和豎向正應力均大于相應水壓力，瀝青混凝土心墻也不會發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象。

圖5 不同時期下的心墻應力等值線分布(單位：kPa)

圖6 蓄水期基座變形分布等值線(單位：m)

4.2 基座變形與應力變化規(guī)律

表5為混凝土基座應力和變形極值，圖6為蓄水期基座變形分布等值線。由表5和圖6可知：在填筑期和蓄水期間，基座的豎向位移變形規(guī)律基本類似，均由兩側向中部不斷增大，最大變形發(fā)生在河谷中部混凝土防滲墻的頂部。在填筑期間，基座變形以豎向變形為主；在蓄水期間，隨著上游水壓力的不斷增大，基座沿順河向方向產(chǎn)生了較為明顯的水平方向位移，且位移由兩側至河谷中部逐漸增大。在蓄水期間，基座兩端因受河谷的約束作用，其變形較小，但中部變形卻較大，導致基座局部處于受拉狀態(tài)；在上游水壓力和河谷約束力的共同作用下，基座的第一主應力峰值將隨著其在下游方向彎曲變形的增大而增大，受拉區(qū)也將隨之增大，但第三主應力在上游水壓力作用下卻明顯減小。

表5 混凝土基座應力和變形極值

圖7為不同時期的基座應力分布等值線。由表4和圖7可知：在填筑期和蓄水期間，基座的第三主應力分布規(guī)律基本相同，最大值均出現(xiàn)在墻體中部。

圖7 不同時期的基座應力分布等值線(單位：kPa)

4.3混凝土防滲墻變形與應力變化規(guī)律

圖8和圖9分別為填筑期和蓄水期混凝土防滲墻在不同方向變形情況。由圖8、9可知：在填筑期間，混凝土防滲墻變形以豎向變形為主，頂部兩側豎向變形較小，中部變形大，從而導致其頂部兩側處于受拉狀態(tài)；在蓄水期間，混凝土防滲墻在上游水壓力的作用下，其水平方向位移由兩側向河谷中部、底部和墻頂增大，在距邊界約(15～20)m處變形最為明顯，隨著變形的繼續(xù)，混凝土防滲墻體內(nèi)將因受到水平方向和軸向的彎矩作用，而使得墻體下游處于軸向和豎向受拉狀態(tài)。在填筑期和蓄水期間，混凝土防滲墻的豎向變形規(guī)律基本相同，同時，在巖體底部，混凝土防滲墻因受巖體支撐力的作用，其豎向變形將從底部向頂部延伸，最大變形一般發(fā)生在河谷中部處的混凝土防滲墻頂部；在水平方向，混凝土防滲墻在兩側巖體的約束作用下，其豎向變形由兩側向中部延伸。

圖8 填筑期混凝土防滲墻在不同方向變形情況(單位：mm)

圖9 蓄水期混凝土防滲墻在不同方向變形情況(單位：m)

圖10和圖11分別為填筑期和蓄水期混凝土防滲墻的主應力分布情況。由圖10和圖11可知：在填筑期間，混凝土防滲墻的主應力峰值均隨著覆蓋層厚度的增加而增大，第一主應力峰值位于混凝土防滲墻頂部兩側；在蓄水期間，混凝土防滲墻在上游水壓力和河谷約束作用力的共同作用下，整體向下游發(fā)生彎曲變形，第一主應力峰值隨著上游水壓力和河谷約束作用力的增加而增大，拉應力區(qū)由岸坡和底部向混凝土防滲墻內(nèi)部逐漸延伸，整體受拉區(qū)范圍增大；在填筑期和蓄水期間，混凝土防滲墻第三主應力的分布規(guī)律基本相同，最大值均出現(xiàn)在墻體中部。

圖10 填筑期間混凝土防滲墻的主應力分布情況(單位：kPa)

圖11 蓄水期間混凝土防滲墻的主應力分布情況(單位：kPa)

5 結 論

本文以大河沿水利樞紐工程為背景，選用三維非線性有限元法，對瀝青混凝土心墻壩防滲系統(tǒng)的應力和變形規(guī)律進行了研究，得到以下結論：

(1)瀝青混凝土心墻在填筑期的最大豎向位移發(fā)生在壩高約1/2處；在填筑結束后，瀝青混凝土心墻的在水平方向的位移由兩岸變?yōu)楹庸戎行模笾屡c河谷走向一致；水位達到正常蓄水位時，瀝青混凝土心墻向下游發(fā)生變形，最大位移量為37.00 cm。此外，在填筑和蓄水期間，瀝青混凝土心墻在任意高程處的第一主應力和豎向正應力均大于相應水壓力，不會發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象。

(2)在填筑期和蓄水期間，基座的豎向變形均由兩側向中部不斷增大，最大變形發(fā)生在河谷中部混凝土防滲墻的頂部。在蓄水期間，基座兩端因受河谷的約束作用，其變形較小，但中部變形卻較大，導致基座局部處于受拉狀態(tài)；在上游水壓力和河谷約束力的共同作用下，基座的第一主應力峰值將隨著其在下游方向彎曲變形的增大而增大，受拉區(qū)也將隨之增大，但第三主應力在上游水壓力作用下卻明顯減小。

(3)在巖體底部，混凝土防滲墻因受巖體支撐及約束的作用，豎向變形一般發(fā)生在河谷中部處的混凝土防滲墻頂部；在水平方向，混凝土防滲墻在兩側巖體的約束作用下，其豎向變形由兩側向中部延伸。在蓄水期間，混凝土防滲墻在上游水壓力的作用下，其水平方向位移由兩側向河谷中部、底部和墻頂增大，在距邊界約15～20 m處變形最為明顯。

(4)在填筑期間，混凝土防滲墻的主應力峰值均隨著覆蓋層厚度的增加而增大，第一主應力峰值位于混凝土防滲墻頂部兩側；在蓄水期間，混凝土防滲墻在上游水壓力和河谷約束作用力的共同作用下，整體向下游發(fā)生彎曲變形，第一主應力峰值隨著上游水壓力和河谷約束作用力的增加而增大，拉應力區(qū)由岸坡和底部向混凝土防滲墻內(nèi)部逐漸延伸，整體受拉區(qū)范圍增大；在填筑期和蓄水期間，混凝土防滲墻第三主應力的分布規(guī)律基本相同，最大值均出現(xiàn)在墻體中部。