卵砾石深覆盖层堆石坝防渗体系的应力变形分布特征

朱 强， 黄 坤，胡俊强

(1.长江工程职业技术学院，湖北 武汉 430212；2.平顶山市水利勘测设计院，河南 平顶山 467000；3.山水环境科技股份有限公司，河南 新乡 453000)

1 工程概况

安宁水电站是大渡河干流开发的梯级水利水电工程，为大(Ⅱ)型工程。枢纽建筑物包括拦河坝、溢洪道、泄洪洞、输水系统、地下厂房等建筑物。拦河坝为沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程为2 135.00 m，最大坝高62 m，坝顶宽度10 m，坝长336 m。设计洪水位(正常蓄水位，P=0.2%)为2 130.00 m，死水位为2 127.00 m。

筑坝材料分区从上游到下游依次分为：上游干砌石护坡厚1 m、上游垫层厚0.5 m、上游堆石区、上游过渡层厚2 m、沥青混凝土心墙厚0.8 m、下游过渡层厚3 m、下游堆石区、下游垫层厚0.5 m、下游干砌石护坡厚1 m。在下游坝基设置厚为1 m的过渡料和厚为1 m水平反滤层。沥青混凝土心墙厚度为0.8 m，心墙基础位于混凝土垫座上，垫座3 m×3 m(宽×高)。坝体河床覆盖层最大深度约为92 m。基础覆盖层防渗型式采用混凝土防渗墙和帷幕灌浆(坝基基岩)，混凝土防渗墙最大深度为87 m，厚度为1.0 m。大坝典型横断面(见图1)。

图1 坝体典型断面图

2 计算原理

土石料本构模型采用邓肯E-B非线性弹性模型。混凝土在达到破坏强度之前，应力应变呈线性关系，故作为线弹性材料考虑[8-10]。在邓肯E-B模型中，切线弹性模量和切线体积模量分别表示为：

(1)

(2)

依据邓肯模型，对卸荷采用下述方法判别：当(σ1-σ3)<(σ1-σ3)0且S

对卸荷情况，弹性模量用下式计算：

(3)

式(1)—(3)中：

c—材料凝聚力；

φ—材料内摩擦角；

pa—标准大气压力；

Rf、K、n、Kb、Km、Kur—模型参数。

3 坝体有限元模型的建立

为更加精确地模型实体坝型，建立大坝有限元模型需要对坝基地质结构及土层材料进行概化处理，确保模型能够准确反映实际状况。坝体有限元模型(见图2)，采用二维有限元建模，有限单元网格以四边形和三角形网格为主，共划分2 061个单元，剖分2 120个结点。对坝体沥青混凝土心墙、基础混凝土防渗墙等重点研究区域，加密网格划分。最底部边界按竖向固定约束，上、下游地基边界按水平方向固定约束。

图2 坝体典型断面有限元模型

经地质勘查，坝体各分区填筑材料及基础各结构土层物理力学参数指标(见表1)，基础混凝土防渗墙和基岩的物理力学参数指标(见表2)。

表1 坝体材料物理力学性质指标表

表2 混凝土防渗墙及基岩参数

计算工况：(1)竣工期：大坝填筑完毕，上下游无水；(2)蓄水期：竣工后蓄水至正常蓄水位2 130.0 m，相应下游设计尾水位为2 092.70 m。

4 结果分析

4.1 坝体沥青混凝土心墙的应力变形分布

由图3可知，在竣工期和蓄水期，心墙上游面的大主应力均在高程2 090.9 m坝体坝基填筑材料的分界线、约80%心墙深度处出现大主应力拐点。竣工期大主应力拐点值为0.58 MPa，蓄水期大主应力拐点值为0.7 MPa。在墙顶至拐点的深度范围内，大主应力近似呈线性分布，其值随心墙深度增加逐渐增大，但增加缓慢；在拐点至墙底深度范围内，大主应力同样近似呈线性分布，其值随心墙深度增加逐渐增大，但增加速率较快。

通过与心墙自重应力相比，大主应力存在“应力拱”现象。蓄水后，大主应力值略微增大，“应力拱”现象明显减缓，大主应力与“应力拱”呈反比关系(见图3)。

图3 心墙上游面单元的大主应力及自重应力

由图4可知，在竣工期和蓄水期，心墙竖向应变在68%心墙深度处出现拐点。竣工期竖向应变拐点值为0.54%，蓄水期竖向应变拐点值为0.57%。在墙顶至拐点的深度范围内，竖向应变近似呈线性分布，其值随心墙深度增加逐渐增大，但增加缓慢；在拐点至墙底深度范围内，竖向应变同样近似呈线性分布，其值随心墙深度增加逐渐增大，但增加速率较快。从图中可知，竣工期竖向应变最大值为5.02%，蓄水期竖向应变最大值为5.07%，竖向应变变化甚微。

由图5可知，在竣工期和蓄水期，心墙水平向应变在57%心墙深度处出现拐点。从墙顶至拐点的深度范围内，水平向应变近似为零；在拐点至墙底深度范围内，水平向应变随心墙深度增加逐渐增大，呈膨胀状态。从图5可知，竣工期水平向应变最大值为-2.37%，蓄水期水平向应变最大值为-2.22%，水平向应变变化甚微。

由图6可知，在竣工期和蓄水期，心墙沉降位移在60%心墙深度处出现拐点最大值。竣工期最大沉降值为57.64 cm，蓄水期最大沉降值为57.52 cm。在墙顶至拐点深度范围内，沉降位移近似呈线性分布，其值随心墙深度增加逐渐增大；在拐点至墙底深度范围内，沉降位移同样近似呈线性分布，其值随心墙深度增加而逐渐减小。蓄水后，心墙沉降值略微有所减小。

图4 心墙竖向应变

图5 心墙沿水平向应变

图6 心墙沉降位移

4.2 混凝土防渗墙的应力变形分布

图7表明，竣工期防渗墙上下游面大主应力随墙身深度呈线性增加，上游面大主应力最大值为9.60 MPa，下游面大主应力最大值为9.65 MPa，上下游面大主应力基本相等。蓄水期上游面大主应力随墙身深度增加逐渐减小，在70%墙体深度处大主应力迅速降低，最小值6.58 MPa，防渗墙底部上游面有出现拉应力的趋势；下游面大主应力从墙顶至70%墙体深度处随深度增加逐渐减小，从70%墙体深度处至墙底处随深度增加迅速增大，最大值12.48 MPa。

图8表明，竣工期防渗墙上下游面小主应力基本相等。蓄水期上下游面小主应力均随墙身深度先增加后减小，在70%墙体深度处小主应力迅速降低。上游面墙底部出现拉应力，最小值-0.81 MPa；下游面墙底部压应力最小值0.25 MPa，下游面墙底部也有出现拉应力的趋势。

图9—10表明，竣工期与蓄水期防渗墙沉降位移沿墙身深度增加逐渐减小，近似线性变化。竣工时墙顶最大沉降5.48 cm，墙底沉降近似为0，蓄水期墙顶最大沉降5.21 cm，墙底沉降近似为0。竣工期与蓄水期水平位移均是先增大后减小，在30%墙身深度处呈现最大水平位移值。从墙顶至30%墙身深度处，水平位移随墙身深度增加而逐渐增加，竣工期最大水平位移值20.14 cm，蓄水期最大水平位移值20.21 cm；从30%墙身深度处至墙底，水平位移随墙身深度增加而逐渐减小，墙底水平位移近似为0。

图7 混凝土防渗墙大主应力

图8 混凝土防渗墙的小主应力

图10 混凝土防渗墙水平位移

5 结论

通过对深覆盖层基础上的堆石坝的坝体心墙、基础垫座、地基防渗墙在竣工期、蓄水期不同工况下的应力变形分析，得出如下结论：

(1)心墙：大主应力在80%墙体深度以下，其值增加较快，且明显存在“应力拱”现象；竖向应变、水平向应变、沉降位移均在约60%～70%心墙深度附近出现拐点，拐点以下墙体沉降值随心墙深度增加而逐渐减小。

(2)基础防渗墙：竣工期防渗墙上下游面大小主应力、沉降位移大致随墙身深度呈线性增加。蓄水期大小主应力在70%墙体深度附近出现拐点，防渗墙底部上游面大主应力最小值6.58 MPa，有出现拉应力的趋势，小主应力出现拉应力。防渗墙水平位移先增大后减小，在30%墙体深度附近出现最大值拐点。

(3)对于易出现拉应力的部位今后需要做进一步深入的研究，并采取加强防范措施。