深覆蓋層上加高混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性研究

趙生華

(金昌市水務(wù)投資有限責(zé)任公司，甘肅 金昌 737100)

1 引言

在我國(guó)的西南、西北地區(qū)，壩基為深厚沖積覆蓋層的情況非常普遍。近些年來，隨著土石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展，在深厚覆蓋層上修建混凝土面板堆石壩的技術(shù)得到了普遍應(yīng)用。對(duì)壩基為深厚覆蓋層上的混凝土面板堆石壩，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[1]。所謂垂直防滲方案是指利用混凝土防滲墻處理地基滲流，將趾板直接置于覆蓋層地基上，并用趾板或連接板將防滲墻與面板連接起來，接縫處設(shè)置止水，從而形成完整的防滲系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)修建的趾板置于深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩工程，大部分都是一次建成，較少見到在這種地形條件下進(jìn)行大壩加高工程的實(shí)例。對(duì)于趾板置于深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩加高工程，二期加高后壩體及防滲結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形性態(tài)是確定大壩加高工程可行性的重要依據(jù)，特別是加高的壩體對(duì)壩基防滲墻應(yīng)力變形的影響，目前尚缺乏較為深入的研究。為此，本文結(jié)合一個(gè)典型工程，采用數(shù)值分析的方法，對(duì)趾板建于深覆蓋層上混凝土面板堆石壩加高工程的應(yīng)力變形特性進(jìn)行分析研究。

2 工程概述

韓家峽水庫(kù)位于甘肅省金昌市西南的金川河上，距離金昌市區(qū)約30 km，是一座主要解決金昌市工業(yè)用水、市政及生活用水，兼顧解決下游農(nóng)業(yè)用水的需求的中型水庫(kù)。韓家峽水庫(kù)混凝土面板堆石壩一期工程壩頂高程1828.6 m，最大壩高38.6 m。壩頂寬8 m，壩頂長(zhǎng)149.5 m，大壩上游壩坡比為1∶1.4，下游壩坡比為1∶1.35，河床段趾板坐落在砂礫石地層上，其上游通過2.5 m寬連接板與1.0 m厚C30鋼混凝土防滲墻銜接。根據(jù)引大濟(jì)西工程規(guī)劃要求，韓家峽水庫(kù)需通過大壩加高進(jìn)行水庫(kù)擴(kuò)容。結(jié)合壩址地形地質(zhì)條件和運(yùn)行管理等要求，在充分考慮建筑物布置等因素的基礎(chǔ)上，大壩的加高在原混凝土面板壩下游采取貼坡加高的方式進(jìn)行，加高后大壩壩頂高程1846 m，壩高56 m。圖1所示為韓家峽水庫(kù)混凝土面板堆石壩一期工程和二期加高工程的設(shè)計(jì)斷面。

圖1 深厚覆蓋層上加高面板壩設(shè)計(jì)斷面

3 數(shù)值分析模型與計(jì)算方法

3.1 有限元模型

混凝土面板堆石壩材料分區(qū)包括主堆石區(qū)、過渡區(qū)、墊層區(qū)、混凝土面板，三維有限元模型包含壩體及壩基覆蓋層。圖2所示為壩體斷面的材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格模型，一期工程的壩體及壩基共剖分36734個(gè)單元、35511個(gè)節(jié)點(diǎn)。二期加高后整個(gè)計(jì)算模型包含52932個(gè)單元和67349個(gè)節(jié)點(diǎn)。面板間垂直縫、一期和二期面板連接縫及面板與趾板間周邊縫采用實(shí)體接縫單元模擬，面板與墊層之間設(shè)置有厚度薄層接觸面單元。

(a)三維有限元網(wǎng)格剖分 (b)最大剖面

3.2 材料本構(gòu)模型

在計(jì)算分析中，壩體和地基砂礫石等土石材料均采用鄧肯-張非線性彈性E-B模型[2]，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：

(1)

(2)

式中：σ1和σ3為最大和最小主應(yīng)力；Pa為大氣壓力；c和φ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)。

3.3 計(jì)算參數(shù)

壩體筑壩材料計(jì)算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)和工程類比確定，計(jì)算參數(shù)見表2?；炷撩姘?、防滲墻、趾板、連接板等均采用C30混凝土，彈性模量取30.0 GPa，泊松比取0.167，密度取2.40 g/cm3。接觸面模型參數(shù)見表3。靜力計(jì)算采用常規(guī)的鄧肯-張E-B模型[2-6]。

表2 兩種防滲方案滲流量統(tǒng)計(jì)表

表2 筑壩材料鄧肯-張E-B模型計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 壩體應(yīng)力變形

二期壩體加高后，壩體在蓄水運(yùn)行期的應(yīng)力和變形分布見圖3、圖4。壩體沉降量較一期工程蓄水期有所增加，最大沉降位于大壩中部高程靠近一期大壩的下游坡處。壩體水平位移(順河向)最大值區(qū)域位于二期培厚的壩體堆石區(qū)，壩體上游坡腳部分區(qū)域的位置朝向上游側(cè)?？傮w而言，二期壩體加高后，壩體應(yīng)力變形數(shù)值和分布規(guī)律與常規(guī)混凝土面板壩類似。

(a)河床斷面壩體順河向位移 (b)河床斷面壩體豎向沉降位移

(a)壩0+76斷面大主應(yīng)力 (b)壩0+76斷面小主應(yīng)力

4.2 加高后混凝土面板應(yīng)力變形分析

二期壩體加高后，混凝土面板的位移和應(yīng)力分布見圖5、圖6。蓄水運(yùn)行期面板最大撓度為14.38 cm，位于一、二期面板交界的河谷中央處。面板順坡向呈受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為6.41 MPa，位于面板下部。面板底部及邊緣位置處產(chǎn)生少許拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力-1.26 MPa。面板壩軸向基本處于受壓狀態(tài)。最大壓應(yīng)力為6.48 MPa，最大拉應(yīng)力為-1.33 MPa，位于面板兩側(cè)邊緣位置。

(a)面板法向位移

(a)面板順坡向應(yīng)力

蓄水運(yùn)行期，混凝土面板的應(yīng)力最大值見表3。從計(jì)算結(jié)果看，由于加高后水頭增加不大，且加高后的壩體從下游側(cè)提供了對(duì)面板的支撐作用，加高后的面板在蓄水運(yùn)行期的壓應(yīng)力增加不大，但順坡向拉應(yīng)力數(shù)值有所增加?？傮w而言，面板應(yīng)力分布規(guī)律與一期工程相比未發(fā)生實(shí)質(zhì)變化。

表3 面板應(yīng)力最大值(蓄水運(yùn)行期)

4.3 混凝土防滲墻應(yīng)力變形分析

大壩二期加高后，由于壩體自重的增加，壩體對(duì)壩基覆蓋層變形的影響也有所增大。在空庫(kù)情況下，位于壩體趾板上游側(cè)的壩基混凝土防滲墻受到壩基覆蓋層向上游側(cè)變形的作用。水庫(kù)滿蓄后，在水壓力的作用下，混凝土防滲墻呈向下游側(cè)的變形趨勢(shì)。表4為混凝土防滲墻在不同工況下的位移最大值統(tǒng)計(jì)，圖7、圖8為防滲墻在蓄水運(yùn)行期的位移及應(yīng)力分布。

(a)防滲墻順河向位移

(a)防滲墻順河向位移

表4 防滲墻位移最大值統(tǒng)計(jì)表

由計(jì)算結(jié)果可知，壩體加高后，在空庫(kù)的情況下，由于壩體對(duì)覆蓋層的作用，防滲墻朝向上游的位移較一期大壩同期情況下有所增大。水庫(kù)滿蓄時(shí)，在庫(kù)水壓力作用下，防滲墻位移朝向下游方向，盡管二期大壩加高情況下防滲墻向下游方向的位移數(shù)值與一期大壩同期情況下的位移數(shù)值變化不大，但考慮到空庫(kù)情況下防滲墻從朝向上游的位移轉(zhuǎn)為朝向下游的位移，實(shí)際上由于水壓力的作用而導(dǎo)致的防滲墻的位移還是有較大的增加。

壩基混凝土防滲墻在空庫(kù)情況下和滿蓄情況下的應(yīng)力分布見圖9、圖10。從計(jì)算結(jié)果看，空庫(kù)工況下，防滲墻應(yīng)力相對(duì)比較小，但由于墻體向上游側(cè)的變形，防滲墻頂部出現(xiàn)一定程度的拉應(yīng)力。水庫(kù)正常蓄水后，在庫(kù)水壓力和壩基覆蓋層變形的共同作用下，防滲墻的豎向壓應(yīng)力有明顯增加，墻頂拉應(yīng)力消失。

(a)防滲墻豎直向應(yīng)力

(a)防滲墻豎直向應(yīng)力

5 結(jié)論

通過針對(duì)趾板建于深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩加高工程應(yīng)力變形特性的計(jì)算分析研究，可以得出以下主要結(jié)論：

(1)對(duì)于趾板建于深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩工程，采用從下游壩坡貼坡培厚的方式進(jìn)行大壩加高大壩的整體應(yīng)力變形特性與常規(guī)建于覆蓋層上的混凝土面板壩相比未發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化，壩體最大沉降位于加高后壩體的中部。壩體、面板的各項(xiàng)應(yīng)力、變形控制指標(biāo)均可滿足安全性要求，這樣的加高方式是一種較為可行的方案。

(2)在二期加高壩體堆石材料填筑指標(biāo)和質(zhì)量要求不降低的情況下，從一期壩體下游側(cè)培厚的壩體壩體可以對(duì)面板提供較好的支撐作用。加高后的大壩盡管在運(yùn)行期水頭有所增加，但混凝土面板的應(yīng)力并未出現(xiàn)顯著增大，混凝土面板的應(yīng)力狀態(tài)總體較好。

(3)加高后壩體對(duì)壩基覆蓋層的變形將產(chǎn)生較為明顯的影響，覆蓋層在空庫(kù)和滿蓄情況下的水平位移，以及滿蓄情況下的豎向位移均有顯著增加。受此影響，混凝土防滲墻在滿蓄情況下的應(yīng)力也有明顯的增大。為此，工程設(shè)計(jì)與施工中需密切關(guān)注壩基防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)。