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(xué)水利水電工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210016；3.中國(guó)水利水電科學(xué)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(shí)，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(guān)系往往是大壩工程設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在。對(duì)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(kāi)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(duì)于第一種處理方式，只有當(dāng)?shù)鼗采w層很淺或覆蓋層中有特殊的地層情況時(shí)才采用。第二種處理方式是目前我國(guó)面板堆石壩建設(shè)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(shì)必會(huì)造成工程量的增大和工期的延長(zhǎng)，同時(shí)，如果開(kāi)挖過(guò)深的話，還會(huì)引起反滲水壓對(duì)墊層的破壞。因此，對(duì)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(guó)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(guó)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(jié)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(shù)值計(jì)算的方法分析深覆蓋層上面板堆石壩的應(yīng)力變形特性和壩體與壩基的相互作用關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，對(duì)深覆蓋層的垂直防滲結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究。

1 深覆蓋層上面板堆石壩的斷面設(shè)計(jì)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(lái)，接縫處設(shè)置止水，從而形成完整的防滲系統(tǒng)。采用這種方式的深厚覆蓋層上的面板堆石壩，在其壩體結(jié)構(gòu)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(shí)進(jìn)行，互不干擾，待施工期壩體和地基的變形相對(duì)穩(wěn)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(duì)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(guó)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(shè)置伸縮縫，以更好地適應(yīng)地基不均勻沉陷變形。

對(duì)于采用垂直防滲墻處理深厚覆蓋層，以往的工程實(shí)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(gè)防滲系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)，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(jì)算模型

計(jì)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(jì)算公式分別為：

切線彈性模量

切線體積模量

卸荷時(shí)，采用卸荷彈性模量

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

2.2 接觸面及接縫系統(tǒng)的模擬

計(jì)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(zhì)相差懸殊，在外力作用下，通常都會(huì)表現(xiàn)出與連續(xù)體不同的剪切滑移、脫開(kāi)分離等特殊的變形特征，因此，計(jì)算分析中需要采用特殊的單元來(lái)加以模擬，以準(zhǔn)確、真實(shí)地反映壩體各部位相互作用的特性。事實(shí)上，從實(shí)際工程的觀測(cè)和試驗(yàn)室的試驗(yàn)中均可發(fā)現(xiàn)，在兩種材料性質(zhì)相差懸殊的介質(zhì)之間，一般都會(huì)在材料性質(zhì)相對(duì)較弱的一面形成一個(gè)薄層的剪切帶，因此，采用薄層接觸面單元來(lái)模擬不同材料之間的接觸情況可能會(huì)更接近實(shí)際。

對(duì)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(chǎn)生基本變形｛ε'｝，其材料的本構(gòu)關(guān)系與墊層料一致，薄層單元在計(jì)算過(guò)程中按普通實(shí)體單元參與計(jì)算。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生了沿接觸面的滑動(dòng)破壞或接觸面受拉產(chǎn)生了拉裂破壞時(shí)，單元產(chǎn)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(wú)相對(duì)位移，當(dāng)接觸面發(fā)生張裂和剪切變形時(shí)，則相對(duì)位移將不斷發(fā)展。

對(duì)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(dòng)破壞變形的模量參數(shù)。平行于接觸面方向上的正應(yīng)變由于受到混凝土的約束不會(huì)發(fā)生破壞，因此可取Δεs''=0，對(duì)應(yīng)的[C]''矩陣中的相應(yīng)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(guī)的實(shí)體單元相同，對(duì)于面板與墊層之間的接觸面，薄層單元取墊層材料的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)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(gòu)關(guān)系，而對(duì)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(shí)的泥漿固壁過(guò)程，因此，薄層單元取泥皮的本構(gòu)關(guān)系。在正常受力情況下，薄層單元在計(jì)算過(guò)程中按普通實(shí)體單元參與計(jì)算，但接觸面之間的剪應(yīng)力超出抗剪強(qiáng)度后，則采用降低模量的方式進(jìn)行剪切破壞法處理；當(dāng)接觸面之間的法向正應(yīng)力為零或?yàn)樨?fù)時(shí)，程序中同樣也要采用受拉破壞法處理。對(duì)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(duì)接縫的柔性材料進(jìn)行模擬。當(dāng)接縫受壓時(shí)，軟單元取混凝土材料的性質(zhì)；當(dāng)接縫受拉時(shí)，軟單元取柔性填料的性質(zhì)。

3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算分析所得壩體和地基的應(yīng)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(shì)，圖4、圖5為連接板變形趨勢(shì)，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(wǎng)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(jì)算成果分析

從壩體及地基的網(wǎng)格變形圖上（圖3）可以看出，壩基覆蓋層對(duì)上部壩體的變形有著明顯的影響。對(duì)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(duì)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(dǎo)致壩體建基面產(chǎn)生一個(gè)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(huì)產(chǎn)生向內(nèi)凹陷的變形趨勢(shì)。

就面板而言，它以堆石體作為其支撐，壩基覆蓋層對(duì)壩體變形的影響也必然會(huì)導(dǎo)致面板位移和應(yīng)力的變化。從竣工期面板的變形曲線上看，由于壩頂?shù)淖冃危⒐て诿姘屙敳恳灿锌赡墚a(chǎn)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(chǎn)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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，變形的趨勢(shì)主要以向下的沉降變形為主。不過(guò)，盡管如此，從面板位移和應(yīng)力的數(shù)值上看，這種由覆蓋層變形所引起的面板位移和應(yīng)力的變化仍在工程可以接受的范圍內(nèi)。

由于地基覆蓋層在上部壩體的作用下將產(chǎn)生下凹的沉降變形，而且覆蓋層底部受相對(duì)不變形的基巖約束，因此，地基覆蓋層將產(chǎn)生從壩中線分別向上、下游方向的位移，并因此導(dǎo)致防滲墻向上游方向的變位，這種變形趨勢(shì)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(yīng)力出現(xiàn)，且頂部的拉應(yīng)力相對(duì)較大。在竣工期，墻體由于受到來(lái)自其下游側(cè)的壩基砂礫石的推擠作用，導(dǎo)致墻體產(chǎn)生下游面受拉、上游面受壓的受力趨勢(shì)。蓄水后，防滲墻在水荷載的作用下向其原位置復(fù)位，這種受力趨勢(shì)將在一定程度上得以抵消。不過(guò)，以上分析是基于防滲墻自身沿上下游方向變形得出的。應(yīng)該注意的是，對(duì)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(duì)墻體的摩擦拖曳力也是一個(gè)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(dòng)土壓力也不同。另外，在蓄水期，墻頂還會(huì)承受較大的庫(kù)水壓力。因此，防滲墻的綜合受力狀態(tài)較為復(fù)雜，總體而言，以受壓為主。

從竣工期和蓄水期防滲墻的應(yīng)力分布（圖7、圖8）可以看出，防滲墻的頂部和底部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)，而且，以頂部的拉應(yīng)力為大，因此在工程設(shè)計(jì)與施工中，對(duì)這些部位應(yīng)予以特別重視。

圖7 竣工期防滲墻中部的大、小主應(yīng)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(yīng)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(huì)產(chǎn)生張拉縫，但尚不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)。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(huì)產(chǎn)生較大的錯(cuò)動(dòng)變形。由此可見(jiàn)，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(guān)系到工程安全的重要部分。從以往的工程設(shè)計(jì)上看，有的工程采用了連接板將防滲墻與趾板連接起來(lái)，也有工程采用趾板直接連接防滲墻。對(duì)壩基不均勻沉降的適應(yīng)性而言，采用連接板方案較為有利，但由此也會(huì)增加接縫的數(shù)量，可能會(huì)造成整個(gè)連接系統(tǒng)可靠性的降低。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合工程的具體情況加以選擇。不過(guò)，無(wú)論是否采用連接板，趾板與壩基防滲墻之間均應(yīng)保持一個(gè)適當(dāng)?shù)木嚯x，以盡可能協(xié)調(diào)趾板與防滲墻的相互作用關(guān)系。

從竣工期地基覆蓋層的變形趨勢(shì)上看，距壩中線越遠(yuǎn)的部位受壩基沉降變形的影響越小。而在水庫(kù)蓄水的情況下，由于水平放置的連接板將直接承受庫(kù)水壓力的作用，所以，連接板（或趾板）長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(zhǎng)度之間呈現(xiàn)出以下的相關(guān)關(guān)系：連接板（或趾板）長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(zhǎng)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(jiàn)，防滲墻的變形與連接板（或趾板）的長(zhǎng)度密切相關(guān)，而且，針對(duì)不同工程的具體情況，應(yīng)該客觀存在一個(gè)對(duì)于防滲墻應(yīng)力、變形狀態(tài)最優(yōu)的長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度可以通過(guò)多方案的計(jì)算對(duì)比分析得出。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于修建在深覆蓋層上的面板堆石壩，應(yīng)盡可能避免采取大量開(kāi)挖的處理方式。其較為合理的結(jié)構(gòu)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(lái)，接縫處設(shè)置止水，從而形成完整的防滲系統(tǒng)。在這種情況下，工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要保證防滲墻、連接板和趾板的變形協(xié)調(diào)和強(qiáng)度方面的要求。

就深覆蓋層與上部壩體的相互作用關(guān)系而言，壩基覆蓋層在上部壩體的作用下將產(chǎn)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(shì)又對(duì)壩體的整體應(yīng)力變形性狀產(chǎn)生明顯的影響，導(dǎo)致壩體最大沉降區(qū)域的下移、壩頂產(chǎn)生向內(nèi)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(chǎn)生局部脫開(kāi)的趨勢(shì)。不過(guò)，這種影響可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)將其限定在一定范圍之內(nèi)，從而保證工程的安全運(yùn)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(zhǎng)度對(duì)防滲墻的應(yīng)力和位移有著明顯的相關(guān)關(guān)系，連接板長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)和過(guò)短都將對(duì)防滲墻的應(yīng)力和位移產(chǎn)生不利影響。一般而言，針對(duì)不同工程的具體情況，應(yīng)該客觀存在一個(gè)對(duì)于防滲墻應(yīng)力、變形狀態(tài)最優(yōu)的長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度可以通過(guò)多方案的計(jì)算對(duì)比分析得出。

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