堆石壩懸掛式防滲墻施工期應力變形數值模擬研究

周志建

(江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330209)

1 工程背景

某水電站為徑流式水電站，總裝機容量為24400kW。水電工程設計庫容為1780萬m3，大壩為混凝土面板堆石壩設計，設計壩高為56.0m，壩頂寬為10.0m，上游壩坡坡比為1∶1.4。大壩主要是通過上下游面板和混凝土防滲墻防滲，其中大壩壩基部位的透水底層采用懸掛式防滲墻，具體設計參數為：防滲墻厚度為1.0m，深度為82m，采用C30混凝土澆筑。在壩基防滲墻下游范圍內設置厚度為1.0m的反濾層，主堆料區域反濾層之間設置厚度為1.0m的過濾層。該水電站位于河谷地帶。鑒于大壩部位的覆蓋層厚度較大，如果采用全封閉防滲墻，不僅工程投資將明顯增大，也會面臨較大的施工困難，因此采用懸掛式防滲墻設計。由于防滲墻的底部并沒有深入到基巖內部，大壩建成期間防滲墻與兩側的土體變形存在不協調問題，因此會對墻體受力造成不利影響[2]。為確保水電站建成后的穩定性，對工程中的懸掛式防滲墻運行條件下的應力變形進行分析就顯得尤為重要[1]。

2 有限元計算模型

2.1 計算模型的構建

由于該水電站的壩址位于河谷地帶，壩基部位的覆蓋層厚度較大，且具有十分復雜的層次結構，從基巖向上依次可以劃分為7個厚度不同的層次結構。其中，分布在頂部的第7層結構為淤泥質土層，在施工過程中需要進行振沖置換處理。由于大壩壩基左岸與右岸的高程相差較大，兩個部位的壩體高度也存在較大差距，同時兩岸的壩基覆蓋層在結構方面也存在明顯的差別，因此，研究中分別選取左岸和右岸覆蓋層厚度最大的0+124m斷面和0+356m斷面作為典型斷面進行研究。為了簡化計算過程，模型構建過程中對大壩壩體、覆蓋層結構的分區和材料進行適當簡化，具體的計算材料分為防滲墻、基巖、大壩壩殼的I1區和I2區、壓重平臺、大壩上下游馬道，鑒于覆蓋層第3層厚度較小，建模過程中不予考慮[3]。

結合相關研究經驗確定大壩防滲墻的計算區域為：上游計算邊界為大壩上游坡腳向上游方向延伸2倍壩高；下游則從壓重平臺末端算起，向下游方向延伸1倍壩高。鑒于大壩壩基的覆蓋層厚度較大，計算區域需要向下選取一定的基巖厚度。結合相關研究結論，在基巖表面向下延伸1倍壩高作為模型計算的豎向邊界[4]。研究中以指向下游的方向為X軸正方向，以壩軸線指向左岸的方向為Y軸正方向；以豎直向上的方向為Z軸的正方向。計算過程中Y方向固定。為了保證模型能夠對防滲墻的真實工作狀態進行模擬，對模型防滲墻沿著厚度方向進行了5層網格劃分，在防滲墻與周圍覆蓋層接觸的表面部位設置無厚度網格單元[5]。由于防滲墻與基巖的力學屬性比較接近，研究中采用線彈性本構模型，覆蓋層與堆石料則采用Mohr-Coulomb模型，對模型采用四邊形網格單元進行劃分[6]。其中，0+086m斷面最終獲得34687個計算單元、38676個計算節點，0+154m斷面最終獲得32366個計算單元、35863個計算節點，模型的網格劃分示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 0+086m斷面有限元模型示意圖

圖2 0+154m斷面有限元模型示意圖

2.2 計算參數

模型材料的物理力學參數對計算結果的準確性具有重要影響，研究中結合項目實施過程中的地質調查數據資料，同時結合采樣實驗結果，確定了模型材料物理力學參數[7]，見表1。結合計算的目的和要求以及水電站大壩的實際情況，計算過程中考慮的主要荷載為大壩壩體和壩基的自重[8]。

表1 模型材料物理力學參數

3 計算結果與分析

3.1 防滲墻變形特征分析

研究中利用上節構建的有限元數值計算模型，對水電站施工完建期的防滲墻在各種荷載作用下的兩個典型斷面的水平位移和沉降位移分布進行計算，結果如圖3、圖4所示。由此可知，由于大壩的防滲墻為懸掛式防滲墻設計，墻體并沒有深入到壩基的基巖之中，因此在荷載的作用下，防滲墻的底部也產生了一定的位移變形。同時，由于防滲墻先施工，隨著壩體高度的增加，壩體堆石體自重荷載會向壩基部位傳遞和擴散，進而造成防滲墻在側向土體壓力的作用下產生變形。從兩個典型斷面的對比來看，0+124m斷面的整體位移變形較大，0+356m斷面的整體變形較小。其中，最大水平位移量為187mm，位于防滲墻墻體的中部；最大沉降變形量約185mm，位于墻體的頂部。從位移變形的縱向分布規律來看，兩個斷面的分布特征比較相似，都表現為墻體中部的水平位移量較大，而頂部的沉降變形較大，這說明防滲墻的受力以壓力為主。

圖3 0+124m斷面位移分布計算結果

圖4 0+356m斷面位移分布計算結果

3.2 墻體受力特征分析

研究中利用上節構建的有限元數值計算模型，對水電站施工期間防滲墻在各種荷載作用下兩個典型斷面下游側應力分布進行計算，結果圖5、圖6所示。由計算結果可知，防滲墻墻體在兩個斷面的最大主應力均表現為壓應力，從豎向受力結果來看，在墻體頂部的部分區域存在一定的拉應力。但是，隨著深度的不斷增加，拉應力值不斷減小，最終轉變為壓應力，并隨著深度的增加而增大，僅在墻體底部有所減小。相對而言，0+124m斷面的應力值較大，0+356m斷面的應力值較小。最大主應力值出現為0+124m斷面底部附近，為7.68MPa，這一數值遠小于C30混凝土的強度設計值，因此不會產生破壞。墻體頂部的應力值較小，深部的應力值較大，而0+154m斷面的頂部仍存在一定范圍的受拉區域，拉應力最大值為1.58MPa，0+356m斷面則存在范圍相對較大的拉應力分布區域。因此，該部位的防滲墻有發生拉裂破壞的危險。所以，應該關注該斷面所在區域防滲墻的上部，如果發現墻體存在裂縫應該及時采取修補措施。

圖5 0+124m斷面應力計算結果

圖6 0+356m斷面應力計算結果

4 結論

文章利用數值模擬的方法，對懸掛式防滲墻在施工完工期的力學及變形特征進行了研究。

(1)在施工完工期，防滲墻呈現出整體向下游變形的特點，都表現為墻體中部的水平位移量較大，而頂部的沉降變形較大，說明防滲墻的受力以壓力為主；由于防滲墻的底部沒有深入基巖，底部的支撐作用較弱，因此在運行之后會產生一定的沉降變形，最大沉降變形量約185mm。

(2)在施工完工期，防滲墻壓應力的最大值為7.68MPa，小于C30混凝土的強度設計值，不會產生破壞；0+154m斷面的頂部存在一定范圍的受拉區域，壓應力最大值為1.58MPa，0+356m斷面則存在范圍相對較大的拉應力分布區域，有發生拉裂破壞的危險，建議關注該斷面所在區域防滲墻上部，如果發現墻體存在裂縫應該及時采取修補措施。