特高心墻堆石壩基礎(chǔ)混凝土墊層受力特性研究

苗 君，曹學(xué)興，邱煥峰，程瑞林

（1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214）

0 引 言

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國已規(guī)劃設(shè)計的200 m 級以上特高心墻堆石壩有10 座［1］，主要集中在水資源豐富的西南部地區(qū)。除深厚覆蓋層上240 m 高的長河壩外，其余工程均清除心墻基礎(chǔ)部位全部覆蓋層和軟弱巖層［2］。為方便施工，經(jīng)清基和高壓水沖洗后，深槽部位需澆筑混凝土找平以保護(hù)巖基面，防止壩基滲透水流對心墻基礎(chǔ)接觸面的沖刷，同時混凝土墊層可兼顧結(jié)灌漿蓋重作用。

混凝土墊層作為防滲心墻與基巖的連接部位，其受力情況復(fù)雜且影響因素較多。巖體物理力學(xué)性質(zhì)、填筑蓄水方式、結(jié)構(gòu)分縫形式以及固結(jié)灌漿深度等都會對混凝土墊層的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，混凝土墊層會承受較大范圍的拉應(yīng)力。對于厚度較薄的混凝土墊層，若拉應(yīng)力超標(biāo)會導(dǎo)致混凝土開裂，且基本不存在檢修的可能性。混凝土墊層裂縫可發(fā)展成為滲漏通道，改變裂縫部位的滲流場，導(dǎo)致防滲心墻或接觸黏土的滲透坡降局部超標(biāo)，從而影響滲透穩(wěn)定［3］。

對于剛性壩基上的特高心墻堆石壩，其研究重點常在筑壩材料特性及壩體變形控制等方面［4］，由于壩體體積龐大而混凝土墊層尺寸相對較小，針對特高心墻堆石壩上述研究的數(shù)值計算往往不模擬混凝土墊層，而簡單地將其歸為剛性壩基的一部分［2］。本文以某315 m 特高心墻堆石壩工程為例，通過有限元數(shù)值計算研究混凝土墊層的應(yīng)力變形狀態(tài)，為混凝土墊層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，研究成果供同類工程參考。

1 混凝土墊層應(yīng)力變形特性

1.1 工程概況

某特高心墻堆石壩最大壩高315 m，防滲體采用礫石土直心墻型式，正常蓄水位距心墻建基面308 m。大壩上游坡比為1∶2.1、下游綜合坡比為1∶2.0，分別設(shè)置上、下游堆石料區(qū)，心墻與上下游壩殼堆石之間設(shè)有反濾層、過渡層。為延長滲徑、加強對防滲破壞的防治，心墻下游反濾Ⅰ和反濾Ⅱ延伸至下游堆石料區(qū)。根據(jù)巖石條件及防滲要求，挖除基巖表層松動、破碎巖體和突出巖石。河床中部及岸坡刻槽設(shè)置3 m×3.5 m 的灌漿排水廊道，槽頂與河床基礎(chǔ)同高程。混凝土墊層在河床段厚2 m、在岸坡段厚1 m。為保證基巖整體性，心墻基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。大壩結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 大壩結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagrams of dam

1.2 數(shù)值計算模型

圖2為大壩有限元模型。計算采用ADINA 有限元軟件，模型節(jié)點數(shù)為58 013 個，單元數(shù)為57 042 個。上、下游邊界均距壩軸線880 m，左岸邊界距左壩肩50 m，右岸邊界距右壩肩50 m，底部邊界距建基面320 m。模型四周側(cè)面為法向約束，底部為全約束。

圖2 大壩有限元模型Fig.2 FEM mesh model

筑壩材料本構(gòu)關(guān)系采用鄧肯E-B模型［5，6］，計算參數(shù)通過室內(nèi)試驗獲得，見表1。混凝土和巖體材料采用線彈性模型，混凝土密度取2 400 kg/m3，彈模取30 GPa，泊松比取0.167；基巖密度取2 650 kg/m3，彈模取12 GPa，泊松比取0.28。墊層與高塑性黏土間的接觸面采用薄層單元模擬，接觸面計算原理和變量符號意義可參見文獻(xiàn)［7，8］，計算參數(shù)見表2。

表1 E-B模型材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of E-B model

表2 接觸面單元計算參數(shù)Tab.2 Parameters of contact elements

1.3 混凝土墊層應(yīng)力變形計算分析

有限元計算竣工期和蓄水期兩種工況，其中蓄水期工況是指大壩蓄水至正常蓄水位。表3為混凝土墊層三維計算應(yīng)力變形最值。圖3為蓄水期混凝土墊層橫河向、順河向以及豎直向位移云圖。圖4為蓄水期混凝土墊層橫河向、順河向以及豎直向應(yīng)力云圖。有限元計算結(jié)果中，應(yīng)力以拉為正，以壓為負(fù)；橫河向位移以向右岸為正，順河向位移以向下游為正，豎直向位移以向上為正。

由表3和圖3可知，“V”形河谷地形將導(dǎo)致上覆壩體壓力大部分傳至岸坡，混凝土墊層在左、右岸中下部變形較大，最大豎向變形為-41.76 mm。橫河向位移基本呈對稱分布，在折坡點高程以下，上覆壩體壓力使左岸墊層繼續(xù)向左變形，最大變形量為-8.75 mm；右岸墊層繼續(xù)向右變形，最大變形量為8.56 mm；在折坡點高程以上，由于受墊層下部變形的拖拽作用，左岸墊層向右變形，右岸墊層向左變形。

圖3 蓄水期混凝土墊層三向位移（單位：mm）Fig.3 Displacement of concrete cushion in dam storage period

由表3和圖4可知，墊層橫河向拉應(yīng)力主要產(chǎn)生在施工填筑期，最值出現(xiàn)在河床中部，由岸坡段的拖拽作用產(chǎn)生，最大拉應(yīng)力為2.74 MPa。墊層順河向應(yīng)力在河床中部受壓，墊層上下游端部拉應(yīng)力較大，這與大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計息息相關(guān)，將在本文第2節(jié)重點論述。墊層豎直向應(yīng)力在底部及上下游端部較大，最大壓應(yīng)力-6.82 MPa。

表3 混凝土墊層三維計算應(yīng)力變形最值Tab.3 Maximum deformation and stress of concrete cushion in 3D calculation

圖4 蓄水期混凝土墊層三向應(yīng)力（單位：MPa）Fig.4 Stress of concrete cushion in dam storage period

對于特高心墻堆石壩工程，河谷多為“V”形深切峽谷。一般認(rèn)為，在寬深河谷地形條件下，上覆壩體壓力主要由河谷底部基巖承擔(dān)；在狹窄河谷地形條件下，左、右岸基巖將會承擔(dān)大部分壓力荷載［9］。本工程河床段墊層橫河向拉應(yīng)力超標(biāo)，與“V”形河谷形狀息息相關(guān)，可通過增加中下部岸坡基礎(chǔ)灌漿范圍和強度、適當(dāng)增加墊層厚度等方法，減小岸坡段墊層橫向變形，達(dá)到降低橫河向拉應(yīng)力的目的。

2 混凝土墊層結(jié)構(gòu)設(shè)計

混凝土墊層作為心墻基礎(chǔ)，其寬度設(shè)置目前主要存在兩種型式。雙江口［10］、兩河口［11］等特高心墻堆石壩基礎(chǔ)墊層僅在心墻底部范圍，而糯扎渡［12］、努列克［13］等特高心墻堆石壩基礎(chǔ)墊層則延伸至反濾料底部。本工程混凝土墊層上下游端部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 混凝土墊層端部結(jié)構(gòu)Fig.5 Terminal Structure of concrete cushion

對于200 m 級以上剛性地基的特高心墻堆石壩，為防止上下游形成滲透通道，混凝土墊層通常不設(shè)垂直于壩軸線方向的橫向結(jié)構(gòu)縫，而在順壩軸線方向設(shè)置縱向結(jié)構(gòu)縫。結(jié)構(gòu)縫位置與混凝土墊層應(yīng)力分布息息相關(guān)。本節(jié)建立大壩二維有限元模型，重點分析基礎(chǔ)混凝土墊層順河向受力狀態(tài)，為墊層分縫設(shè)計提供依據(jù)。

2.1 混凝土墊層順河向應(yīng)力狀態(tài)

圖6為墊層順河向應(yīng)力云圖，圖7為墊層豎直向應(yīng)力云圖，圖8為墊層頂部順河向應(yīng)力沿程分布。竣工期，墊層順河向應(yīng)力大部分處于受拉狀態(tài)，最大值為2.08 MPa，出現(xiàn)在心墻上游與反濾交界附近，超過C30 混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa［14］。蓄水期，墊層順河向拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在上游側(cè)邊緣，為2.77 MPa；水荷載對墊層中部拉應(yīng)力起緩解作用，但會導(dǎo)致墊層端部拉應(yīng)力迅速增大，應(yīng)重視混凝土端部順河向的配筋設(shè)計。墊層豎直向應(yīng)力均為壓應(yīng)力。由于心墻拱效應(yīng)，豎直向壓應(yīng)力在墊層端部分布不均，最大壓應(yīng)力為-6.74 MPa。

圖6 墊層順河向應(yīng)力（單位：MPa）Fig.6 Longitudinal stress of concrete cushion

圖7 墊層豎直向應(yīng)力（單位：MPa）Fig.7 Vertical stress of concrete cushion

圖8 墊層頂部順河向應(yīng)力分布（從上游到下游）Fig.8 Stress distribution along the river of concrete cushion

選取混凝土墊層順河向拉應(yīng)力較大的節(jié)點，檢驗拉應(yīng)力主要產(chǎn)生時期。特征節(jié)點位置如圖5；各節(jié)點順河向應(yīng)力隨時程變化如圖9，其中第34步壩體填筑完畢，之后分6步蓄水。

由圖9可知，節(jié)點1、4 在壩體填筑至2/3 壩高（23 步）前，無拉應(yīng)力；但隨著壩體的繼續(xù)填筑，混凝土墊層邊緣向上下游變形增大，將產(chǎn)生拉應(yīng)力。在施工期（34步前），節(jié)點1和節(jié)點4的拉應(yīng)力均未超過C30混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa［14］。但隨著水荷載的施加，墊層邊緣拉應(yīng)力迅速增長，節(jié)點1主拉應(yīng)力增量為1.8 MPa，節(jié)點4 主拉應(yīng)力增量為1.62 MPa，由于水荷載使墊層向下游變形，但墊層邊緣受基巖約束，故而拉應(yīng)力增大。

圖9 各節(jié)點順河向應(yīng)力隨時程分布Fig.9 Node longitudinal stress over time step

節(jié)點2、3在壩體填筑初期已產(chǎn)生拉應(yīng)力，分析原因：①由于壩體自重作用，帶動混凝土墊層向外張拉，引起順河向拉應(yīng)力；②節(jié)點2、3位于反濾層與心墻交界附近，由于心墻拱效應(yīng)，心墻自重會不同程度傳遞到反濾層、過渡層，使得墊層豎向應(yīng)力分布不均，邊緣處較大，導(dǎo)致邊緣處的上層單元受輕微彎拉作用［2］。墊層上游邊緣拉應(yīng)力較下游邊緣大，分析原因：為延長滲徑、加強對防滲破壞的防治，將反濾Ⅰ和反濾Ⅱ分別向下游延伸約100 m，材料分區(qū)對墊層下游側(cè)邊緣影響較小。

混凝土墊層端部順河向拉應(yīng)力超標(biāo)，可通過墊層分縫設(shè)計、適當(dāng)增加墊層厚度等方法減小拉應(yīng)力。有限元計算混凝土墊層厚度分別為1、2、3 m 時順河向應(yīng)力，竣工期拉應(yīng)力最值分別為2.24、2.08、1.95 MPa，降幅為7.14%、12.95%；蓄水期拉應(yīng)力最值分別為3.41、2.77、2.46 MPa，降幅為18.77%、27.88%。

2.2 混凝土墊層分縫設(shè)計

目前，已建的糯扎渡工程在心墻與反濾層交界位置及其內(nèi)部范圍設(shè)置4 條結(jié)構(gòu)縱縫［15］；在建的兩河口工程垂直水流方向以20 m 間距設(shè)置結(jié)構(gòu)縱縫。結(jié)合同類工程經(jīng)驗以及混凝土墊層應(yīng)力特性，設(shè)置3 種分縫方案，如圖10。有限元模型中，墊層混凝土縱縫采用薄層單元模擬，不賦材料參數(shù)，即相鄰墊層混凝土段之間不傳力。

圖10 混凝土墊層分縫方案設(shè)計Fig.10 Structural joint design of concrete cushion

表4為不同分縫方案墊層順河向拉應(yīng)力最值，圖11為不同分縫方案墊層頂部順河向應(yīng)力沿程分布。由表4和圖11可知，結(jié)構(gòu)分縫可以從一定程度上調(diào)整混凝土墊層的應(yīng)力狀態(tài)。有針對性地在反濾層與心墻交界部位、墊層與廊道交界部位設(shè)置結(jié)構(gòu)縱縫，可以有效減弱混凝土墊層局部拉應(yīng)力集中。設(shè)置縱縫后，墊層在反濾與心墻交界部位的順河向拉應(yīng)力減為1.61 MPa，較無縫方案拉應(yīng)力降幅22.60%。分縫間距越小，拉應(yīng)力降低越多，但拉應(yīng)力降幅會逐漸變小，故應(yīng)設(shè)置合適的分縫間距。有限元計算結(jié)果中，各方案結(jié)構(gòu)縱縫的張開變形和壓縮變形均不超過1 mm，故應(yīng)根據(jù)施工需要及結(jié)構(gòu)縫填料等設(shè)置合適的縫寬。

表4 混凝土墊層二維計算順河向應(yīng)力最值 MPaTab.4 Maximum stress of concrete cushion in 2D calculation

圖11 墊層頂部順河向應(yīng)力分布（從上游到下游）Fig.11 Stress distribution along the river of concrete cushion

3 結(jié) 語

本文研究了某315 m特高心墻堆石壩工程基礎(chǔ)混凝土墊層的應(yīng)力變形狀態(tài)，并以應(yīng)力成果為依據(jù)討論了混凝土墊層的結(jié)構(gòu)分縫設(shè)計，主要結(jié)論如下。

（1）河谷地形對混凝土墊層應(yīng)力變形有較大影響。特高心墻堆石壩工程河谷多為“V”形深切峽谷，上覆壩體壓力大部分傳至岸坡，混凝土墊層在左、右岸中下部變形較大。河床段混凝土墊層受兩岸變形的拖拽作用，產(chǎn)生較大的橫河向拉應(yīng)力，故應(yīng)重視河床段混凝土墊層的縱向配筋設(shè)計。同時建議增加中下部岸坡基礎(chǔ)灌漿的范圍和強度以減小岸坡橫向變形，達(dá)到降低混凝土墊層橫河向拉應(yīng)力的目的。

（2）由于壩體自重作用以及防滲心墻拱效應(yīng)，混凝土墊層在心墻與反濾交界位置順河向拉應(yīng)力增大，故應(yīng)重視混凝土墊層端部的配筋設(shè)計。有針對性地在心墻與反濾交界部位設(shè)置結(jié)構(gòu)縱縫，可有效減弱混凝土墊層局部拉應(yīng)力集中。同時建議在墊層端部適當(dāng)增加墊層厚度，亦可降低墊層順河向拉應(yīng)力。□