基于地基水力耦合效應的關(guān)門山水庫大壩防滲墻塑性損傷分析

(桓仁滿族自治縣水庫移民開發(fā)局，遼寧 桓仁 117200)

防滲墻是面板堆石壩的重要結(jié)構(gòu)，大壩在建設(shè)和運行期間，其地基和防滲墻會受到重力和水壓的雙重作用的綜合影響，從而產(chǎn)生不同程度的變形，甚至可能發(fā)生塑性變形導致開裂。同時，部分工程實例也顯示，大壩防滲墻存在這種塑性損傷的可能[1]。防滲墻開裂會對大壩的防滲效果產(chǎn)生明顯的不利影響。Rice與Dunca研究顯示，即使小于1mm的防滲墻裂縫，也會導致其滲透系數(shù)增加若干個數(shù)量級[2]。因此，探求大壩防滲墻的力學特征，對面板堆石壩的防滲墻設(shè)計與質(zhì)量評價具有重要意義。目前，在防滲墻力學特征的數(shù)值模擬研究領(lǐng)域，大多學者采用的是線性彈性模型，但是防滲墻的混凝土結(jié)構(gòu)只有在荷載較小的情況下才能呈現(xiàn)出上述關(guān)系[3]?；谏鲜稣J識，Yu等采用混凝土塑性損傷模型研究了防滲墻的損傷規(guī)律，認為上游防滲結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生開裂破壞[4]。但是，該領(lǐng)域的研究一般將應力施加在防滲墻的表面，而沒有考慮滲流效應，也就是水力耦合效應對防滲墻可能產(chǎn)生的影響[5]。此外，既往的研究主要針對心墻壩以及斜心墻壩型，較少開展對上游地基的面板堆石壩研究。因此，本文試圖通過構(gòu)建基于地基水力耦合模型，對面板堆石壩防滲墻的塑性損傷展開數(shù)值模擬研究。

1 工程概況

關(guān)門山水庫位于遼寧省本溪市境內(nèi)太子河的一級支流小湯河中游，水庫壩址距本溪縣政府所在地約25km。水庫的控制流域面積為176.77km2，水庫正常蓄水位為172.00m，設(shè)計洪水標準100年一遇，校核洪水標準2000年一遇，關(guān)山水庫由混凝土面板堆石壩、河岸式溢洪道、泄洪輸水洞、電站組成，水庫工程等別為Ⅲ等，永久性水工建筑物級別為3級，總庫容7661萬m3，是一座以工農(nóng)業(yè)供水為主，兼有防洪、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖及旅游等綜合利用的中型水庫[6]。

關(guān)山水庫面板堆石壩的地基覆蓋層較厚，自上而下可以分為砂礫石夾礫石、砂礫石、砂礫石夾塊礫石等三層，總厚度為40～45m，下部為新鮮基巖，沒有大規(guī)模的斷層與強風化區(qū)域，地基環(huán)境比較理想。通過對大壩基底覆蓋層的物理力學特征分析，具有孔隙率較大和剪切強度高的特點，總體滲透性較強。為了控制地基滲流，大壩在地基覆蓋層中設(shè)置了一道長121m、總面積約2900m2的槽孔型混凝土防滲墻，并深入地基基巖1.20m。防滲墻采用C30混凝土分段澆筑施工，設(shè)計軸向抗壓強度為30MPa，軸向抗拉強度為2.01MPa。大壩在建設(shè)運行過程中設(shè)置了監(jiān)測系統(tǒng)，在大壩地基中安裝有電磁沉降計、水平位移計以及滲壓計等，在防滲墻中安裝有測斜計、應變計以及土壓力計等，可以為大壩防滲墻變形研究提供必要的實測數(shù)據(jù)。

2 計算模型的構(gòu)建

2.1 計算原理

關(guān)山水庫大壩防滲墻的實測結(jié)果顯示，墻體分布有較大的拉應力，可能誘發(fā)一定的塑性損傷。本次研究擬采用Lee和Fevens提出的塑性損傷模型對關(guān)山水庫大壩防滲墻的力學特征進行模擬[7]。由于該模型在混凝土面板堆石壩損傷的有限元分析中具有良好的運用效果，但是并沒有被用于防滲墻損傷分析的例子。因此，利用已有的單軸拉伸和壓縮荷載試驗對模型的合理性進行驗證，結(jié)果顯示具有良好的吻合度。

顯然，大壩地基覆蓋層與混凝土防滲墻之間存在著比較強烈的接觸效應，并直接影響到防滲墻本身的受力特點與力學特性，在研究中必須要對上述接觸效應進行模擬。因此，本次研究利用Adina的無厚度摩擦接觸方法對上述接觸效應進行模擬[8]。由于該方法中的結(jié)構(gòu)與土體單元之間可以自由滑動，而不必受到網(wǎng)格的約束，因此可以對地基覆蓋層與混凝土防滲墻之間的不均勻變形進行良好模擬。由于實踐數(shù)據(jù)比較缺乏，本次模擬研究中根據(jù)已有研究和相關(guān)經(jīng)驗確定接觸參數(shù)，其中摩擦系數(shù)取0.20，接觸容差取0.50mm。

對防滲墻力學特征進行有限元計算，需要對大壩的施工以及蓄水過程進行比較完整的模擬。為了考慮水力耦合對防滲墻的影響，研究中采取Chen等提出的水力耦合效應的分析方法，進行基于地基水力耦合效應的關(guān)門山水庫大壩防滲墻塑性損傷模型的構(gòu)建。目前，該方法已經(jīng)應用于多個面板堆石壩深厚覆蓋層地基的水力耦合分析，并取得了良好的模擬效果。在水力耦合過程中，采用自適應懲罰Heaviside函數(shù)的變分不等式方法進行防滲墻滲流過程的自由面與逸出點的確定；防滲墻的滲透性變化則采用改進的Kozeny-Carman方程描述，模型采用迭代法進行耦合過程的求解，直至滿足收斂條件。

2.2 模型的構(gòu)建

利用UG三維有限元軟件進行關(guān)山水庫大壩地基防滲墻的模型構(gòu)建。為了更準確反映防滲墻的力學特點，沿防滲墻的厚度方向劃分5排單元，所有的單元均采用空間8節(jié)點的等參單元模擬。最終，模型劃分為44657個單元、48825個節(jié)點，其中防滲墻劃分為6351個單元。模型的底部和兩側(cè)施加相應的法向約束，同時設(shè)置為不透水邊界，上游水位以下的壩面根據(jù)實際水位波動特征施加水頭，其余的邊界施加滿足Signorini互補條件的潛在滲流邊界條件。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 防滲墻應力分析

對大壩防滲墻上游面和下游面三條測線上的垂直應力值進行計算(見圖1)。由計算結(jié)果可知，在大壩竣工期，上游面在垂直方向上呈現(xiàn)出壓縮特征，垂直應力由防滲墻的底部至頂部逐漸增加；在蓄水階段，防滲墻上游面的垂直應力顯著減小，并在底部和兩岸部位呈現(xiàn)出一定的拉應力，最大垂直壓應力為15MPa，最大垂直拉應力為1.60MPa。整體而言，防滲墻上部的垂直應力計算結(jié)果與實測結(jié)果的吻合度較好，下部的計算結(jié)果略小于實測結(jié)果，究其原因，主要是由計算模型的地質(zhì)條件概化以及本構(gòu)模型的不足等局限性造成的。此外，考慮水力耦合效應的計算結(jié)果要顯著大于未考慮的結(jié)果，在蓄水完成情況下，上游面和下游面兩者之間的差異分別為5MPa和0.80MPa，說明計算過程中考慮水力耦合效應是十分必要的。

圖1 防滲墻上游面和下游面垂直應力值計算結(jié)果

對大壩防滲墻的大小主應力分布進行計算(見圖2)。由計算結(jié)果可知，在大壩施工階段，防滲墻的上游面主要受壓應力影響，但是在下游面的底部和兩岸部分部位存在一些拉應力作用區(qū)，最大壓應力值為20MPa，最大拉應力值為1.9MPa。從最大主應力值上看，并沒有超過防滲墻材料的抗壓和抗拉強度；在水庫蓄水完成后，防滲墻的上游面底部和兩岸部位也出現(xiàn)了拉應力，上游面的最大壓應力值為22MPa，最大拉應力值為2MPa。由此可見，防滲墻在應力作用下的最危險斷面位于靠近兩岸的部位，由于受到側(cè)土壓力和水荷載的共同影響，主要呈現(xiàn)出彎曲效應。

圖2 大壩防滲墻的主應力分布計算結(jié)果

為了比較塑性損傷模型與線彈性損傷模型在防滲墻應力損傷研究中的實用性，對兩種模型下主應力分布進行計算(見圖3)。由計算結(jié)果可知，采用線彈性模型計算時，防滲墻的拉應力值明顯偏大，竣工期和蓄水期的最大拉應力值均大于3MPa，已經(jīng)超過材料的抗拉強度，顯然，實際中并沒有這么大的拉應力值。另一方面，采用塑性損傷模型計算的最大主應力均超過抗拉強度，可以合理解釋應力釋放與重新分配，因此，塑性損傷模型的計算結(jié)果更為合理。

圖3 塑性損傷模型與線彈性損傷模型計算結(jié)果對比

3.2 防滲墻塑性損傷分析

上述計算結(jié)果顯示，關(guān)山水庫大壩防滲墻的最大壓應力值小于墻體材料的抗壓強度，因此，防滲墻的壓應力對墻體的安全性影響不大。利用計算模型對可能產(chǎn)生的開裂與拉伸損傷進行分析，對損傷變量進行計算，并獲得由其表征的防滲墻拉伸損傷分布特征(見圖4)。由計算結(jié)果可知，大壩防滲墻拉伸損傷主要出現(xiàn)在防滲墻下游面靠近底部以及兩岸的部位；在水庫蓄水后，受到水荷載的作用，防滲墻的拉伸損傷主要出現(xiàn)在防滲墻上游面的底部以及靠近兩岸的部位?？傮w而言，水庫蓄水后的防滲墻拉伸損傷比竣工期更為嚴重，但是單元最大損傷變量均小于0.80，因此，不會發(fā)生開裂。

圖4 防滲墻拉伸損傷分布計算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以遼寧省關(guān)山水庫大壩防滲墻為例，結(jié)合實測數(shù)據(jù)和模型計算成果，對面板堆石壩地基防滲墻的力學和損傷特征進行研究。

結(jié)論如下：與傳統(tǒng)的線彈性模型相比，塑性損傷模型能夠?qū)γ姘宥咽瘔畏罎B墻的力學特征進行更好地描述，也可以用于心墻、斜墻等類似壩型的力學特征模擬和分析；在考慮水力耦合效應條件下，防滲墻主要呈現(xiàn)出彎曲效應，但關(guān)山水庫防滲墻應力變形處于合理范圍，不會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象；水力耦合效應給防滲墻帶來較大的拉應力和變形，而地基變形有助于減少上述變形和應力，改善應力狀態(tài)。