深厚覆蓋層高壩壩基防滲系統(tǒng)地震反應(yīng)規(guī)律研究

馮蕊 何蘊龍

摘要：

對于修建在高地震烈度區(qū)深厚覆蓋層上的高堆石壩，其由混凝土防滲墻和廊道組成的壩基防滲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性和受力特性均比較復(fù)雜，對其抗震特性的探討具有很大意義。以大渡河支流上的金平瀝青混凝土心墻堆石壩為工程背景，采用三維非線性有限元模型和子模型技術(shù)，對防滲墻和廊道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震時程分析。分析結(jié)果表明：廊道基巖搭接段和覆蓋層交界處既是廊道靜力工況時的拉應(yīng)力極值區(qū)，也是廊道地震過程中動應(yīng)力反應(yīng)最強(qiáng)烈的部位；防滲墻動應(yīng)力反應(yīng)最強(qiáng)烈的區(qū)域為墻體上部岸坡基巖折坡點附近；考慮靜、動荷載共同作用后，防滲墻和廊道應(yīng)力變形規(guī)律相對靜力工況變化較小。綜合來看，在設(shè)計地震作用下，廊道和防滲墻的應(yīng)力變形所受影響較小，壩基防滲系統(tǒng)的抗震性能較好。

關(guān) 鍵 詞：

動力分析； 防滲墻； 廊道； 堆石壩； 深厚覆蓋層

中圖法分類號： TV641.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.017

0 引 言

近年來，在中國水資源豐富的西部地區(qū)，深厚覆蓋層上高心墻堆石壩建設(shè)蓬勃發(fā)展。但這一地區(qū)地震頻發(fā)且烈度較大，因此結(jié)構(gòu)的抗震安全性成為工程關(guān)注的主要問題之一。目前關(guān)于抗震方面的研究多集中在壩體結(jié)構(gòu)［1-2］，對壩基防滲墻和廊道等防滲結(jié)構(gòu)的抗震特性研究相對較少。

壩基防滲墻和廊道的結(jié)構(gòu)特性和受力特性均比較復(fù)雜［3-6］，其中混凝土防滲墻夾持在較柔軟的覆蓋層中，底部一般插入基巖0.5～1.0 m，墻體結(jié)構(gòu)承受的主要荷載包括：上覆土壓力、水荷載，以及由于覆蓋層和防滲墻間不均勻沉降產(chǎn)生的向下的摩阻力等，在這些荷載共同作用下，防滲墻一般承受較大豎向壓應(yīng)力。同時，由于基巖約束的影響，左右岸墻端部位會出現(xiàn)拉應(yīng)力。此外，防滲墻受力影響因素較多，結(jié)構(gòu)施工完成后，墻體上下游兩側(cè)有泥皮殘留、墻底有施工殘渣，因此

防滲墻材料、墻端約束條件，以及與周圍土體之間的接觸都會對受力產(chǎn)生影響［7-9］。一旦遭受地震，結(jié)構(gòu)受力情況會變得更加復(fù)雜。

由于監(jiān)測和施工的需要，壩基防滲墻和壩體心墻之間通常采用廊道結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。廊道底直接作用在防滲墻頂部和防滲墻形成剛性連接，廊道兩端多搭接在基巖巖臺上或深入基巖內(nèi)部，因此，受覆蓋層不均勻沉降以及基巖和防滲墻約束作用的影響，廊道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，是整個防滲系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。實際工程中已出現(xiàn)了廊道破壞漏水的現(xiàn)象［10-12］，其中獅子坪廊道破壞正是發(fā)生在地震后，獅子坪大壩最大壩高136 m，覆蓋層深101.5 m。2008年5月12日中國四川省汶川縣發(fā)生了8級地震，壩址區(qū)距離震中約55 km。地震期間廊道底板出現(xiàn)了貫穿性裂縫，從左岸至右岸沿壩軸線方向連續(xù)分布，總體長度超過80 m，最大縫寬達(dá)11 mm，裂縫深度從兩岸向河床中央逐漸減小，廊道靠左岸側(cè)裂縫最大深度2.0 m，靠右岸裂縫最大深度2.2 m，局部有滲水發(fā)生［8］，后經(jīng)化學(xué)灌漿處理后，廊道運行正常。

深厚覆蓋層上高心墻堆石壩壩基防滲系統(tǒng)（防滲墻和廊道結(jié)構(gòu)）受力狀況如此復(fù)雜，遭受地震后，一旦開裂出現(xiàn)滲水將造成重大災(zāi)難，并且作為地下結(jié)構(gòu)，極難補(bǔ)救，所以防滲墻和廊道結(jié)構(gòu)抗震特性的研究具有重要意義，但目前關(guān)于壩基防滲墻和廊道的抗震安全性研究相對較少。本文研究的金平瀝青混凝土心墻堆石壩工程，位于大渡河左岸一級支流金湯河上，最大壩高90.5 m，河床覆蓋層最大深度85 m。本文運用子模型技術(shù)，建立三維非線性有限元模型，采用時程法對混凝土廊道和防滲墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動力特性研究，為同類工程提供參考。

1 計算原理與模型

1.1 子模型技術(shù)

為準(zhǔn)確反映壩基混凝土防滲墻和廊道的應(yīng)力變形狀態(tài)，需要對防滲墻、廊道、周圍結(jié)構(gòu)（泥皮和殘渣等），以及廊道與周圍土體的接觸等進(jìn)行精細(xì)模擬。這些需精細(xì)模擬部位的尺寸與整個壩體尺寸相差懸殊，若將其與整個壩體一起進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，計算精度很難保證。子模型方法就是根據(jù)圣維南原理先對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后在整體模型中切割出一塊區(qū)域進(jìn)行子模型分析，這種方法通過細(xì)部構(gòu)造更精密的網(wǎng)格劃分提高了計算精度，在壩體防滲系統(tǒng)、壩體接縫以及孔洞處多有應(yīng)用［13-14］。具體實施方法為先通過整體模型計算得到整個結(jié)構(gòu)的位移結(jié)果，然后通過插值得到子模型邊界各節(jié)點的位移，以此作為子模型的邊界條件進(jìn)行計算。

在動力分析中同樣是先進(jìn)行整體模型的動力時程分析，然后得到相應(yīng)的子模型邊界處的加速度、速度和位移，然后以此作為子模型的動力時程邊界條件。

1.2 基于薄層單元的動接觸模擬

為了更精確地模擬防滲墻周圍的接觸如上下游泥皮和底部殘渣等，本文采用有厚度的動力接觸單元來進(jìn)行模擬［15］。薄層有厚度才能夠更好地反映接觸中的剪切錯動帶，更符合混凝土結(jié)構(gòu)與周圍土體的實際接觸情況，并且不必人為設(shè)定很大的法向剛度系數(shù)來模擬受壓，計算將更為合理。

1.3 計算模型和參數(shù)

金平瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高90.5 m，壩頂寬10.0 m，壩頂總長268.0 m。心墻頂部厚0.5 m，向下逐漸加厚到1.11 m，底部有2.0 m高的心墻放大腳，放大腳最大底寬1.91 m。心墻底部廊道尺寸2.5 m×3.0 m（寬×高），廊道長95.7 m，在沿壩軸線方向不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，僅在兩岸與灌漿平洞連接部位設(shè)置兩條永久縫。河谷呈“V”形，河床覆蓋層厚35～85 m，覆蓋層中混凝土防滲墻厚1.2 m，頂部與廊道剛性連接，下部嵌入基巖1.0 m，大壩典型縱剖面見圖1。

模型建立時考慮了壩體具體的填筑和蓄水過程。整體模型和子模型具體如圖2所示。整體模型共59 884個節(jié)點，58 754個單元，子模型共49 252個節(jié)點，47 351個單元。

瀝青混凝土心墻、堆石、覆蓋層的靜力計算材料參數(shù)均為試驗所得，靜力計算采用Duncan E-μ非線性彈性模型。動力計算采用Hardin等效黏彈性模型，具體見表1和表2，接觸面單元參數(shù)見表3?；炷晾鹊?、防滲墻和基巖均采用線彈性材料模型，廊道混凝土彈模30.0 GPa，防滲墻混凝土彈模32.5 GPa，混凝土泊松比均取0.18，基巖彈模8 GPa，泊松比0.25，動力計算時，彈模在此基礎(chǔ)上均提高30%。為了消除壩基巖體對地震動的放大作用，采用無質(zhì)量基巖進(jìn)行計算。

地震波采用設(shè)計地震反應(yīng)譜為目標(biāo)譜生成的地震加速度時程曲線。地震動峰值加速度為0.15g，通過SHAKE91程序反演后，壩基水平向基巖面地震波峰值為0.12g，具體見圖3。

2 廊道動力響應(yīng)及抗震安全性分析

2.1 廊道加速度和動位移反應(yīng)

由于混凝土廊道位于壩體內(nèi)部，地震加速度反應(yīng)較小。如圖4所示，廊道在順河向、橫河向、豎直向的加速度極值分別為2.70，1.40，1.20 m/s2。順河向加速度反應(yīng)最強(qiáng)烈，極值出現(xiàn)在河床中央，向兩岸逐漸減小；在橫河向與豎直向，廊道加速度反應(yīng)較小，并且加速度分布比較均勻，沿壩軸線相差不大。

對于混凝土廊道動位移反應(yīng)，在順河向最大且表現(xiàn)出與加速度相似的分布規(guī)律，即極值出現(xiàn)在河床中央并向兩岸逐漸減小。如圖5所示，順河向最大動位移為11.9 mm，地震前廊道順河向位移極值為107.8 mm，且也出現(xiàn)在河床中央，地震過程中廊道順河向位移增幅達(dá)9.9%。

2.2 廊道動應(yīng)力及抗震安全性分析

在上部土壓力和上游水荷載作用下，廊道發(fā)生了豎直向下和順河向指向下游的撓曲變形。在豎直向，廊道基本處于受壓狀態(tài)。在橫河向，河床中央段廊道上游面表現(xiàn)為壓應(yīng)力，下游面表現(xiàn)為拉應(yīng)力，但在廊道兩端與基巖、防滲墻、覆蓋層交界的部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中，其中上游表現(xiàn)為拉應(yīng)力，下游表現(xiàn)為壓應(yīng)力。由于混凝土抗拉強(qiáng)度較低，所以重點對廊道橫河向應(yīng)力進(jìn)行分析，其中應(yīng)力正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

圖6和圖7分別為只考慮靜力荷載和靜、動荷載共同作用時廊道橫河向應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，考慮地震荷載后廊道應(yīng)力分布規(guī)律相較靜力工況幾乎沒有變化。在靜力荷載作用下，整個廊道的拉應(yīng)力極值出現(xiàn)在基覆交界（基巖、覆蓋層交界）處的應(yīng)力集中區(qū)，這主要是因為右岸廊道約15 m搭接在基巖巖臺上，受到的基巖約束作用較大。值得注意的是右岸基覆交界處的應(yīng)力極值區(qū)也是地震作用下廊道動應(yīng)力反應(yīng)最強(qiáng)烈的區(qū)域。靜力工況時廊道拉應(yīng)力極值為 8.97 MPa，考慮地震作用后，此處拉應(yīng)力增加為11.15 MPa，增幅達(dá)到24.3%。靜力工況時橫河向壓應(yīng)力極值出現(xiàn)在河床中央上游面頂部，為-17.81 MPa，考慮地震作用后，壓應(yīng)力極值轉(zhuǎn)移到右岸基覆交界處，增大為-18.70 MPa。

C30混凝土廊道動力抗拉強(qiáng)度參照規(guī)范比靜力抗拉強(qiáng)度提高了30%，即由1.430 MPa提高到1.859 MPa。圖8陰影部分列出了廊道橫河向拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度的區(qū)域。從圖中可以看出，雖然考慮地震后廊道拉應(yīng)力值增幅很大，但因為混凝土抗拉強(qiáng)度同樣增大，所以最終廊道橫河向拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度的位置和面積大小幾乎沒有變化。

除了基覆交界位置的拉應(yīng)力集中外，廊道內(nèi)部頂拱和底板位置也會產(chǎn)生拉應(yīng)力。地震后，廊道中央剖面最大順河向拉應(yīng)力出現(xiàn)在廊道底板中央，由靜力工況下的2.89 MPa增加為2.97 MPa，增幅為2.8%。左岸1/4剖面，拉應(yīng)力極值同樣出現(xiàn)在廊道底板中央，由靜力工況的2.03 MPa增加為2.10 MPa，增幅為3.4%，廊道左岸1/4剖面應(yīng)力具體如圖9所示?？傮w而言，廊道底板順河向拉應(yīng)力增加較少，超過混凝土抗拉強(qiáng)度區(qū)域的面積大小幾乎沒有變化。

表4為廊道與兩岸平洞之間結(jié)構(gòu)縫的變形。從表中可以看出，靜力荷載作用下，由于右岸巖臺的存在，左岸結(jié)構(gòu)縫變形整體大于右岸，其中張開變形和順河向變形極值分別為1.60 cm和1.89 cm。考慮地震荷載后，同樣是左岸的張開變形和順河向變形增幅最大，分別增加了1.0 mm和1.3 mm，可見地震作用對廊道與兩岸平洞之間結(jié)構(gòu)縫的影響很小。

3 防滲墻動力響應(yīng)及抗震安全性分析

3.1 防滲墻加速度和動位移反應(yīng)

防滲墻夾持在地基覆蓋層中，受到周圍覆蓋層、基巖以及上部廊道的約束，動位移和加速度反應(yīng)較小。圖10為防滲墻頂部3個方向的加速度分布情況。從圖中可以看出，橫河向和豎直向加速度較小，且沿軸向分布比較均勻，順河向加速度較大并呈現(xiàn)從中央向兩岸逐漸減小的趨勢。防滲墻頂部順河向、橫河向、豎直向加速度極值分別為2.48，1.34，1.11 m/s2，動位移分別為10.1，1.1，1.7 mm，圖11為防滲墻順河向和豎直向的動位移分布情況?？紤]地震作用后，順河向位移和靜力工況相比增加了8.9%。

3.2 防滲墻動應(yīng)力及抗震安全性分析

防滲墻受力情況復(fù)雜，其中由于覆蓋層不均勻沉降引起的負(fù)摩擦力所占比重很大，如馬尼克3號壩中防滲墻負(fù)摩阻力達(dá)到85%［3］，防滲墻主體受壓，所以防滲墻有可能因為墻體壓碎縫而發(fā)生滲漏破壞。圖12為金平大壩防滲墻豎直向壓應(yīng)力分布，由于壩址處河谷地形較為狹窄，岸坡段對整個墻體的支撐作用較強(qiáng)，大部分豎向荷載借基礎(chǔ)拱效應(yīng)傳遞至兩岸基巖，因此傳遞到防滲墻下部的壓應(yīng)力減小，導(dǎo)致豎向壓應(yīng)力極值出現(xiàn)在防滲墻上部約4/5墻高處，左右岸豎向應(yīng)力分布較為對稱，靠近基巖的壓應(yīng)力值逐漸減小。靜力工況時壓應(yīng)力最大為-21.99 MPa，考慮地震荷載后，豎向壓應(yīng)力分布規(guī)律幾乎沒有變化，但壓應(yīng)力極值達(dá)到-22.59 MPa，增幅為2.7%，壓應(yīng)力極值仍然小于防滲墻混凝土的抗壓強(qiáng)度。

防滲墻形狀比較特殊，通過墻頂左右兩個“耳朵”懸掛在兩岸基巖上。從圖13可以看出，防滲墻在兩個“耳朵”底部，即基巖折坡位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，尤其是橫河向拉應(yīng)力數(shù)值和范圍都比較大。靜力工況下防滲墻拉應(yīng)力極值為8.70 MPa，考慮地震荷載后，拉應(yīng)力極值仍出現(xiàn)在左岸折坡位置應(yīng)力集中處，為9.11 MPa，增幅為4.7%。此區(qū)域為地震過程中防滲墻動力反應(yīng)最強(qiáng)烈的區(qū)域。

參照規(guī)范，C40混凝土防滲墻動力抗拉強(qiáng)度比靜力抗拉強(qiáng)度提高了30%，即由1.710 MPa提高到2.223 MPa。圖14中陰影部分列出了防滲墻橫河向拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度的區(qū)域。從圖中可以看出，考慮地震荷載后防滲墻橫河向拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度的位置和面積大小幾乎沒有變化，在防滲墻左岸基巖折坡位置向上延伸了約7 m的距離。由此可見，地震對防滲墻拉應(yīng)力的影響不大，因此只要保證靜力工況時防滲墻的安全性即可。

4 結(jié) 論

（1） 因為廊道和防滲墻位于壩體和覆蓋層內(nèi)部，因此加速度和動位移反應(yīng)均較小，且包絡(luò)值分布規(guī)律和靜力工況下位移分布規(guī)律相似。加速度和動位移均表現(xiàn)為在順河向最大，橫河向和豎直向較小，且分布比較均勻，沿壩軸線變化很小。

（2） 在設(shè)計地震作用下，廊道動應(yīng)力反應(yīng)最強(qiáng)烈的位置為廊道基巖巖臺搭接段附近基巖和覆蓋層交界的位置。靜力工況時，此區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，上游主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，下游主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。整個廊道的拉應(yīng)力極值就出現(xiàn)在此區(qū)域，拉應(yīng)力方向主要表現(xiàn)為橫河向。此外，廊道內(nèi)部頂拱和底板也存在順河向拉應(yīng)力。

（3） 由于壩址處河谷地形較為狹窄，岸坡段對整個墻體的支撐作用較強(qiáng)，傳遞到防滲墻下部的壓應(yīng)力減小，墻體豎向壓應(yīng)力極值出現(xiàn)在防滲墻上部4/5墻高處。地震作用下，墻體壓應(yīng)力未超過抗壓強(qiáng)度。防滲墻在兩岸基巖折坡點附近出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，同時這一區(qū)域也是防滲墻動應(yīng)力反應(yīng)最強(qiáng)烈的區(qū)域，考慮地震荷載后，拉應(yīng)力極值也出現(xiàn)在此區(qū)域。

（4） 在設(shè)計地震作用下，混凝土廊道和防滲墻中應(yīng)力分布規(guī)律幾乎沒有變化，只有廊道壓應(yīng)力極值發(fā)生了轉(zhuǎn)移?？紤]地震荷載后，廊道和防滲墻拉應(yīng)力極值都一定程度增大，但因為動力工況下的結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度同樣增大，所以最終廊道和防滲墻拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度的位置和面積大小幾乎沒有變化。綜合來看，建于深厚覆蓋層上的高堆石壩中壩基防滲系統(tǒng)抗震性能較好。

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（編輯：鄭 毅）

Seismic response of dam foundation seepage control system of a high dam on thick overburden layer

FENG Rui1，2，HE Yunlong2

（1.The Pearl River Hydraulic Research Institute，Guangzhou 510611，China； 2.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：

For high rockfill dams on thick overburden layers in high seismic intensity area，the structural and mechanical characteristics of dam foundation seepage control system composed of the concrete cutoff wall and gallery，are complex and always subjected to complicated loads.Therefore，the discussion on their anti-seismic characteristics is of great significance.In this paper，Jinping asphalt core rockfill dam built on a tributary of Dadu River was taken as a case.The seismic time history analysis for the cutoff wall and gallery was carried out by using three-dimensional nonlinear finite element model and sub model technology.The results show that under the static condition，the extreme tensile stresses exist near the junction of bedrock and overburden layers，where the strongest dynamic response of gallery also happens.In the cutoff wall，the upper part near the turning part of the right bank slope shows the strongest dynamic response.After superposing the static response with dynamic response，the deformation and stress distribution rules change slightly compared with those in the static state.On the whole，earthquakes have little effects on the stress and deformation of concrete cutoff wall and gallery，and the anti-seismic performance of the dam foundation seepage control system is good.

Key words：

dynamic analysis；cutoff wall；gallery；rockfill dam；thick overburden layer