高土質(zhì)心墻堆石壩新型壩體結(jié)構(gòu)形式研究

徐 晗，饒錫保，潘家軍，黃 斌，陳 云

(長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究概況

西南地區(qū)設(shè)計(jì)和規(guī)劃中的高壩大庫(kù)，隨著壩高的增加，具有普遍性的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要有:高壩設(shè)計(jì)理論面臨新的突破，300m級(jí)的高壩近10座，建成后均將成為世界之最(如小灣和錦屏一級(jí)高拱壩;瀑布溝、糯扎渡、兩河口和雙江口高土石壩);地震烈度高，峰值加速度最高可達(dá)到0.6 g;覆蓋層深厚，最深可超過(guò) 100m［1－3］。根據(jù)國(guó)家水電資源開發(fā)的需要，無(wú)法回避在西部地區(qū)深厚覆蓋層上建200m級(jí)高土石壩的重大技術(shù)問(wèn)題［4］。目前國(guó)內(nèi)外尚未有直接在百米級(jí)深厚覆蓋層上建成壩高超過(guò)200m高土石壩的工程實(shí)例和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［5］。

深厚覆蓋層上建高土石壩，常采用的防滲體系的形式為在防滲墻頂部建立剛接的灌漿廊道，然后在廊道外包大塊高塑性黏土。但在百米覆蓋層上建設(shè)超過(guò)200m的高土質(zhì)心墻壩再采用這種傳統(tǒng)的防滲結(jié)構(gòu)形式是不適合的，因?yàn)榉罎B墻與覆蓋層之間的沉降差較大，且由于壩高超過(guò)200m，經(jīng)過(guò)廊道傳到防滲墻上的壓力也是非常巨大的，當(dāng)防滲墻的壓應(yīng)力超過(guò)一定的極限后會(huì)誘發(fā)受壓破壞，已不適合采用傳統(tǒng)的土質(zhì)心墻或趾板直接建在覆蓋層上的結(jié)構(gòu)形式，需要深入研究新型壩體結(jié)構(gòu)。

針對(duì)深厚覆蓋層上修建土石壩提出了一個(gè)新型結(jié)構(gòu)體系，即直接在覆蓋層上建“混凝土蓋板”，混凝土蓋板中設(shè)置大型廊道，可以在大型廊道中施工修建防滲墻，由覆蓋層中的防滲墻、混凝土蓋板及以上的壩體形成完整的防滲體系，對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)尚需要準(zhǔn)確掌握靜力作用下覆蓋層、壩體、混凝土蓋板及防滲墻的應(yīng)力與變形特征，并評(píng)價(jià)這種新型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全性和適應(yīng)性。

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

對(duì)某百米覆蓋層上的200m級(jí)高土質(zhì)心墻堆石壩，采用該類型的新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，如圖1所示。其中壩底高程為0m，壩頂高程為223 m，水位高程為180m，覆蓋層厚約 100m。上游坡比1∶2.25，下游坡比為1∶2。

圖1 新型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the new structure

新型結(jié)構(gòu)的細(xì)部示意圖見(jiàn)圖2，其中混凝土蓋板高 30m，底寬為36m。中空廊道寬 7 m，高10.5m，底板為5m厚。蓋板上下游兩側(cè)可采取黏土心墻的斜率1∶0.2。蓋板的設(shè)置范圍不要太寬，一般為心墻底部斷面的1/3即可。

對(duì)新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元計(jì)算，詳細(xì)地分析了混凝土蓋板、防滲墻之間的相互作用，并對(duì)混凝土蓋板及其周邊壩體區(qū)域和混凝土防滲墻應(yīng)力應(yīng)變的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

圖2 新型結(jié)構(gòu)細(xì)部示意圖Fig.2 Detailed sketch of the new structure

由于設(shè)置蓋板方案的目的是為了能在大型廊道中施工防滲墻，一方面能顯著縮短工期;另一方面能減輕上部壩體傳到防滲墻上的壓應(yīng)力。為了研究防滲墻的施工順序?qū)Ψ罎B墻及混凝土蓋板的影響，設(shè)置了如下的3個(gè)計(jì)算方案進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算方案Table 1 Computational schemes

壩體計(jì)算參數(shù)根據(jù)國(guó)內(nèi)待建的超過(guò)200m高土質(zhì)心墻堆石壩進(jìn)行選取，針對(duì)百米級(jí)深厚覆蓋層上的高土質(zhì)心墻堆石壩新型壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元計(jì)算，研究各新型壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案下壩體和混凝土蓋板的應(yīng)力與變形特征，評(píng)價(jià)其在高應(yīng)力、高水頭作用下的結(jié)構(gòu)安全性。本次靜力計(jì)算采用的鄧肯張E－B模型參數(shù)見(jiàn)表2。

為了準(zhǔn)確計(jì)算防滲墻與覆蓋層之間的相互作用，在各種剛度不連續(xù)的界面上設(shè)置了如下的接觸單元。采用無(wú)厚度的接觸摩擦單元模擬了各種剛度差異較大之間的力學(xué)特性，覆蓋層與防滲墻之間的摩擦角為11°。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 壩體的變形

壩體的沉降和水平位移等值線圖如圖3與圖4所示，可知豎向位移為5.5m，水平位移為1.6m。由于覆蓋層②為軟弱夾層，因此覆蓋層的沉降較大，最大值為3.1m左右，壩體自身的沉降約為2.4m。因此，覆蓋層與防滲墻之間的沉降差會(huì)引起防滲墻較高的壓應(yīng)力。

圖3 水平位移等值線Fig.3 Horizontal displacement contours of the dam

圖4 豎向位移等值線Fig.4 Vertical displacement contours of the dam

3.2 防滲墻和蓋板的應(yīng)力

3種工況下典型蓄水期防滲墻位移曲線、應(yīng)力狀態(tài)分別如圖5、圖6所示。

圖5 蓄水期防滲墻位移曲線Fig.5 Displacement curves of cutoff wall in storage period

表2 計(jì)算采用的鄧肯E-B模型參數(shù)Table 2 Duncan E-B model parameters for calculation

可知防滲墻水平位移最大為68cm，對(duì)3種工況來(lái)說(shuō)，防滲墻的水平位移主要是蓄水期水壓力作用引起的，由于3種工況的水壓力基本上是一樣的，因此，防滲墻施工順序?qū)Ψ罎B墻水平位移影響較小。工況2為壩體填筑完后再打防滲墻，在水壓力作用下蓄水期防滲墻有一定程度的上抬。

圖6 蓄水期防滲墻應(yīng)力狀態(tài)Fig.6 Stress status of cutoff wall in storage period

由圖6蓄水期防滲墻應(yīng)力狀態(tài)可知，防滲墻伸入混凝土蓋板底板的部分由于受到兩側(cè)邊的約束作用，雖然能上下移動(dòng)，但伸入部分隨著蓋板的不均勻沉降導(dǎo)致該處產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)并引起扭矩，造成該處的表面拉應(yīng)力達(dá)到4.5MPa，改進(jìn)措施是減小蓋板的不均勻沉降，這就需要對(duì)蓋板底部的地基進(jìn)行一定的加固處理。對(duì)于工況2來(lái)說(shuō)，由于竣工期防滲墻的壓應(yīng)力較小，蓄水期間靜水壓力作用下防滲墻就成了偏心受拉構(gòu)件，因此該工況的防滲墻拉應(yīng)力會(huì)較大，最大達(dá)到了11.9MPa。而工況1與工況3蓄水前由于防滲墻兩邊覆蓋層的沉降引起防滲墻一定程度的壓應(yīng)力，蓄水后即使受到靜水壓力作用仍為偏心受壓構(gòu)件，沒(méi)有出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力?？芍?，對(duì)于新型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，防滲墻的壓應(yīng)力在合理的范圍之內(nèi)。

混凝土蓋板主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7所示，蓋板的受力較為復(fù)雜，但應(yīng)力狀態(tài)受防滲墻施工順序的影響較小，3種不同工況下竣工期、蓄水期蓋板的應(yīng)力極值均較為接近。在蓋板的底部受到土的反力作用，同時(shí)由于中空廊道的削弱效應(yīng)，使得蓋板中空處底板相當(dāng)于懸臂地基梁，會(huì)承受一定的彎矩，彎矩引起底部表面的拉應(yīng)力，因此，中空廊道底板需要一定的厚度才能夠達(dá)到規(guī)定的要求，改進(jìn)措施為將中空廊道底板加厚。

圖7 蓄水期蓋板的應(yīng)力狀態(tài)Fig.7 Stress status of concrete slab in storage period

在蓋板的頂部，由于兩傾斜側(cè)邊不均勻荷載作用引起的彎矩造成蓋板頂部也有一定的拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值不大。蓄水期上游部分水位上升會(huì)在蓋板底部引起一定的靜水壓力增加，而下游部分蓋板底部靜水壓力幾乎不變，從而引起蓋板一定程度的旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)在廊道頂部造成壓應(yīng)力集中區(qū)域，各工況壓應(yīng)力極值為－24.5MPa。

4 結(jié)論

表3 防滲墻和蓋板的主應(yīng)力Table 3 Principal stresses of cutoff wall and concrete slabMPa

(1)新型結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是避免了防滲墻頂端受到上部壩體傳過(guò)來(lái)的巨大壓應(yīng)力，能充分減小防滲墻的壓應(yīng)力，同時(shí)能在廊道里進(jìn)行防滲墻施工，在受力性能、施工組織上是較為積極的處理方式，本次應(yīng)力、變形的計(jì)算結(jié)果顯示該新型結(jié)構(gòu)有相當(dāng)?shù)目尚行浴?/p>

(2)由于新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能在廊道中進(jìn)行防滲墻施工，因此需要設(shè)置大型的中空廊道，為了減小中空廊道對(duì)混凝土蓋板剛度削弱的影響，混凝土蓋板的底板需要達(dá)到一定的厚度，同時(shí)混凝土蓋板也需要達(dá)到一定高度。

(3)防滲墻蓄水前受到一定的壓應(yīng)力是有益的，該壓應(yīng)力可確保在靜水壓力作用下防滲墻仍為偏心受壓構(gòu)件，這樣就不會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力;如果減小防滲墻的壓應(yīng)力到一個(gè)極端的情況，則蓄水期間靜水壓力作用下防滲墻就成了偏心受拉構(gòu)件了，而混凝土基本上是受壓不受拉的材料，因此不能采用這種施工方式。

(4)總的來(lái)說(shuō)，混凝土作為一種能受壓不受拉的優(yōu)良建筑材料，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該充分發(fā)揮其建筑材料的特點(diǎn)，從這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)一步在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行細(xì)化，針對(duì)受拉較為集中的部位開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小拉應(yīng)力。

［1］酈能惠，米占寬，李國(guó)英，等.冶勒水電站超深覆蓋層防滲墻應(yīng)力變形性狀的數(shù)值分析［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2004，(1):18－23.(LI Neng-hui，MI Zhankuan，LI Guo-ying，etal.Numerical Analysis of Stress Deformation Behavior of Concrete Diaphragm Wall in Supper-deep Overburdened Layer of Yele Hydropower Station［J］.Hydro-Science and Engineering，2004，(1):18－23.(in Chinese))

［2］酈能惠，孫大偉，米占寬，等.覆蓋層上高面板壩連接板長(zhǎng)度優(yōu)化分析［J］.水利水電技術(shù)，2005，36(7):81－85.(LI Neng-hui，SUN Da-wei，MI Zhan-kuan，etal.Optimization Analysis on Length of Connection Slab for High Concrete Faced Rockfill Dam on Deep Alluvium Deposit［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2005，36(7):81－85.(in Chinese))

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［5］王柏樂(lè).中國(guó)當(dāng)代土石壩工程［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.(WANGBai-le.Contemporary Earth and Rock Dam Projects in China［M］.Beijing:China Water Power Press，2004.(in Chinese))