拉洛水利樞紐瀝青混凝土心墻與廊道連接型式研究

摘要：

柔性瀝青混凝土心墻與剛性混凝土廊道之間的連接部位是大壩防滲體系的薄弱環(huán)節(jié)。為了確保連接部位的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，針對拉洛水利樞紐高瀝青混凝土心墻堆石壩，設(shè)計了3種不同的連接型式?？紤]瀝青混凝土心墻、混凝土廊道、土石壩填筑料與基巖四者之間的相互接觸受力特性，分別建立有限元模型模擬壩體填筑和蓄水過程，研究了在竣工期與蓄水期3種不同連接型式條件下心墻與混凝土廊道的應(yīng)力變形特性，對比分析了各種連接型式的優(yōu)缺點，提出了混凝土廊道與瀝青混凝土心墻的最優(yōu)連接型式。結(jié)果表明：若竣工期心墻與兩邊過渡料沉降均勻，則心墻拱效應(yīng)?。恍钏谛膲εc廊道水平位移不協(xié)調(diào)會導(dǎo)致心墻底部豎向應(yīng)力突變；連接型式3能使得瀝青混凝土心墻、廊道與廊道后堆石料共同協(xié)同變形，是最優(yōu)設(shè)計方案。研究成果可為瀝青混凝土心墻結(jié)構(gòu)型式選擇提供理論依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：

瀝青混凝土心墻； 混凝土廊道； 連接型式； 變形協(xié)調(diào)； 拉洛水利樞紐

中圖法分類號： TV641.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.024

0 引 言

瀝青混凝土心墻土石壩是一種非常有競爭力的壩型［1］，其防滲體系主要包括瀝青混凝土心墻、混凝土基座或廊道以及壩基防滲墻。柔性瀝青混凝土心墻與剛性混凝土廊道接觸部位受力特性相當(dāng)復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中［2］，是防滲體系的薄弱環(huán)節(jié)。目前對瀝青壩的研究側(cè)重于解決防滲體系與壩體之間的非協(xié)調(diào)變形［3-4］、瀝青混凝土力學(xué)特性［5］、河谷形狀［6］、不設(shè)置廊道等［7］，尚無合適的混凝土廊道應(yīng)力規(guī)范計算方法，對其相互作用機理的研究也甚少，因而只能憑經(jīng)驗設(shè)計連接型式［8］，缺乏合理的經(jīng)濟(jì)性與安全可靠性論證。

在基巖上的混凝土廊道與瀝青混凝土心墻的連接型式，與有覆蓋層的防滲墻上混凝土廊道與瀝青混凝土心墻的連接型式相比［9］，其受力與應(yīng)力變形特點完全不同［10］。對有覆蓋層的瀝青壩而言，混凝土廊道一般支撐在防滲墻上，由于防滲墻的深度是沿著河谷到岸坡逐步變化，因而廊道的壩軸向應(yīng)力較大［11］。而對基巖上混凝土廊道而言，混凝土廊道變形小，但是柔性的瀝青混凝土心墻變形較大［12］，如何設(shè)計兩者之間的連接型式，減少兩種材料之間的非協(xié)調(diào)變形，并確保瀝青混凝土心墻、混凝土廊道的拉壓應(yīng)力在合理的范圍內(nèi)，是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

本文對西藏拉洛水利樞紐工程的瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計了3種不同的連接型式?？紤]瀝青混凝土心墻、混凝土廊道、土石壩填筑料與基巖四者之間的相互接觸受力特性，分別建立有限元模型，模擬壩體填筑和蓄水過程，研究在竣工期與蓄水期3種不同連接型式瀝青混凝土心墻與混凝土廊道的應(yīng)力變形特性，其成果可為瀝青混凝土心墻堆石壩防滲結(jié)構(gòu)型式選擇提供理論依據(jù)。

1 工程背景

拉洛水利樞紐工程瀝青混凝土心墻壩最大壩高68.5 m，河床覆蓋層主要為沖積礫卵石，具中等-強透水性，厚6.0～13.5 m，將心墻部分的覆蓋層挖除，設(shè)置混凝土廊道于板巖基巖上。大壩典型設(shè)計橫斷面如圖1所示。

結(jié)合筑壩材料和壩體分區(qū)，以及大壩施工、蓄水進(jìn)程，采用有限元數(shù)值方法研究并解決瀝青混凝土心墻與混凝土廊道之間不同連接型式的合理性問題。在有限元模擬中主要有以下兩個關(guān)鍵問題：① 合理模擬心墻與廊道、基座之間的接觸特性。需要采用合適的接觸面模擬瀝青混凝土心墻、混凝土廊道、土石壩填筑料與基巖四者之間的摩擦特性。② 連接型式的比選與優(yōu)化。綜合分析不同連接型式條件下，壩體、防滲體系以及連接部位的應(yīng)力變形狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上推薦合適的連接型式。

2 連接型式設(shè)計與計算模型

2.1 平面有限元網(wǎng)格

平面有限元網(wǎng)格及坐標(biāo)系如圖2所示。順河向為X坐標(biāo)，豎向為Z坐標(biāo)；從上游到下游規(guī)定為X坐標(biāo)正向，沿壩體高程方向規(guī)定為Z坐標(biāo)正向。在瀝青混凝土心墻與混凝土廊道、土石壩填筑料之間設(shè)置了接觸單元，混凝土廊道與土石壩填筑料、基巖之間設(shè)置了接觸面。

2.2 連接型式設(shè)計

設(shè)計了3種不同的連接型式，其細(xì)部構(gòu)造設(shè)計如圖3所示。廊道均為內(nèi)寬3 m，內(nèi)高3.5 m。型式1廊道壁厚1 m，型式2廊道壁厚2 m，型式3廊道壁厚1 m。

3 計算參數(shù)與填筑分級

3.1 計算參數(shù)

堆石料和瀝青混凝土心墻料采用Duncan-Chang E-B模型，接觸采用罰函數(shù)接觸算法。長江科學(xué)院2004年曾針對茅坪溪瀝青混凝土心墻堆石壩，采用疊環(huán)式剪切儀進(jìn)行了兩種不同級配砂礫石料與瀝青混凝土的接觸面試驗，得知摩擦角可取31°［13］，亦即摩擦系數(shù)可取0.6?；炷僚c土石料之間的摩擦系數(shù)也取0.6［14］。

壩體各材料參數(shù)根據(jù)相關(guān)室內(nèi)試驗取較低值，如表1所列。其中ρ為密度，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角，φ0為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時的φ值，Δφ為圍壓增加一個對數(shù)周期時摩擦角φ的減小量。K，n分別為初始彈性模量基數(shù)和彈性模量指數(shù)，Kb，m分別為初始體積模量基數(shù)和體積模量指數(shù)，Kur為卸載模量基數(shù)，Rf為破壞比［15］。

3.2 填筑分級

為模擬壩體填筑和蓄水過程，計算采用27級載荷步。初始地應(yīng)力場采用自重作用下的地應(yīng)力場。壩體與心墻采用同步平層填筑，約4 m左右填筑一級，蓄水分4級載荷步。對竣工期和蓄水期大壩的應(yīng)力與變形特征進(jìn)行分析，其中竣工期大壩上下游無水荷載，蓄水期大壩上游蓄水至正常水位高程，下游無水荷載。

4 相關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形分析

4.1 瀝青混凝土心墻的應(yīng)力變形

表2與表3分別為瀝青混凝土心墻變形與應(yīng)力、應(yīng)變最大值?？芍?種接頭型式心墻的各向位移相差很小，但3種型式心墻應(yīng)力最大值有較大區(qū)別，應(yīng)力最大值均位于心墻底部，主要為心墻與兩側(cè)過渡料豎向位移不協(xié)調(diào)所致，軸對稱連接型式2的豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力大于型式1和型式3，這是因為軸對稱結(jié)構(gòu)心墻與兩邊過渡料沉降最均勻，心墻拱效應(yīng)小所致。

可通過定義心墻上游面一排單元的墻前水壓力與豎向應(yīng)力的比值T，判斷水力劈裂發(fā)生的可能性：

T=γwHσz

式中：σz為單元豎向應(yīng)力；γw為水的重度，kN/m2；H為單元離水面高度，m。T值越大，發(fā)生水力劈裂的可能性越大。

圖4為蓄水期各連接型式墻前水壓力與豎向應(yīng)力的比值曲線?？芍褪?心墻底部墻前水壓力與豎向應(yīng)力的比值接近1，偏于危險，這是由于型式1心墻下游部分堆石支撐在廊道彎曲下降段，因而在水壓力作用下發(fā)生了較大的相對水平位移，進(jìn)而改變了底部心墻上游面的彎曲曲率，豎向應(yīng)力急劇減小所致。而型式2與型式3心墻與兩邊過渡料豎向與水平變形基本協(xié)調(diào)，墻前水壓力與豎向應(yīng)力的比值最大為0.6。

4.2 混凝土廊道的應(yīng)力變形

表4為廊道應(yīng)力最大值統(tǒng)計，圖5與圖6分別為各型式廊道水平與豎向應(yīng)力云圖。為了較好區(qū)分拉壓應(yīng)力，云圖中灰色部分是受壓區(qū)域，彩色等值線部分是受拉區(qū)域。

由表4可知，無論是水平應(yīng)力還是豎向應(yīng)力，3種連接型式廊道結(jié)構(gòu)在竣工期差別均不大，而在蓄水期應(yīng)力差別較大，原因在于水壓力作用下混凝土廊道和堆石壩相互作用模式不同。型式1、2各向應(yīng)力極值所在位置均為廊道內(nèi)部左上角，由于蓄水期水壓力的豎向分量作用擠壓廊道，導(dǎo)致廊道頂部的表面受壓、廊道內(nèi)部受拉。

型式3的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在瀝青心墻與混凝土廊道交界面處，這是由于心墻將水平水壓力直接傳遞到廊道，進(jìn)而與后方的堆石料一起向下游協(xié)同變形，導(dǎo)致廊道外部受拉，該界面屬于明顯的應(yīng)力集中部位。雖然該處的拉應(yīng)力極值較大，但應(yīng)力衰變的梯度變化很快，拉應(yīng)力分布區(qū)域基本上只占相應(yīng)厚度的1/3～1/2，并沒有貫穿整個廊道內(nèi)壁，因此可計算配筋并將止水設(shè)置在廊道中部。

4.3 心墻與廊道之間相對水平位移

統(tǒng)計各型式瀝青混凝土心墻底部與混凝土廊道的相對水平位移：型式1中軸線底部相對水平位移最大，為5.6 mm，在水壓力作用下心墻沿著廊道彎曲下降段向下游變形，因而相對水平位移較大。型式3的心墻與廊道之間沒有相對水平位移發(fā)生，該型式的止水最安全。型式2相對水平位移介于型式1與型式3之間，為2.7 mm。

圖7為各型式連接部位瀝青與基座的水平向位移云圖?？芍褪?廊道基本沒有水平變形，型式2廊道上部有較小的水平變形，而型式3廊道與心墻共同向下游協(xié)同變形。

5 結(jié) 論

針對拉洛水利樞紐設(shè)計了廊道與心墻的3種不同連接型式，采用有限元模擬了竣工期與蓄水期瀝青混凝土心墻與混凝土廊道的應(yīng)力變形特性，提出了廊道與心墻的最優(yōu)連接型式設(shè)計原則。主要結(jié)論如下：

（1） 當(dāng)竣工期心墻與兩邊過渡料沉降均勻時，心墻拱效應(yīng)小，心墻豎向應(yīng)力大。

（2） 當(dāng)蓄水期心墻與廊道水平位移不協(xié)調(diào)時，會導(dǎo)致心墻底部豎向應(yīng)力突變，因而要確保心墻與廊道的水平變形協(xié)調(diào)性。

（3） 連接型式3的混凝土廊道剛度適中，心墻與兩邊過渡料豎向變形協(xié)調(diào)；蓄水后心墻、廊道與廊道后堆石料協(xié)同水平變形抵御水壓力作用，心墻與廊道之間沒有相對水平位移發(fā)生；廊道拉應(yīng)力分布區(qū)域約只占相應(yīng)厚度的1/3～1/2。上述結(jié)果表明該連接型式能使瀝青混凝土心墻、廊道與廊道后堆石料的水平與豎向協(xié)同變形最優(yōu)，是最佳設(shè)計方案。

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（編輯：鄭 毅）

Study on connection type between asphalt concrete core wall and corridor of Laluo dam

XU Han1，3，XIONG Zebing2，3，PAN Jiajun1，3，ZHENG Guangjun2，3

（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China； 3.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The connection between flexible asphalt concrete core wall and rigid concrete corridor is a weak link of dam anti-seepage system.Aiming at the high asphalt concrete core rockfill dam of Laluo hydro-junction project，three different connection types are designed.Considering the contact stress characteristics between asphalt concrete core wall，concrete corridor，earth rock dam filling material and bedrock，finite element models are established respectively to simulate the process of dam filling and water storage.The stress and deformation characteristics of three different connection types between asphalt concrete core wall and concrete corridor during completion and water storage periods are studied，and the advantages and disadvantages of various connection types are compared and analyzed.Based on the results，an optimal connection type between concrete corridor and asphalt concrete core wall is put forward.The results show that during the completion period，if the settlement of the core wall and transition materials on both sides is uniform，the arch effect of the core wall is small.During the storage period，the uncoordinated horizontal displacement of the core wall and the corridor will lead to the sudden change of the vertical stress at the bottom of the core wall.The third connection type that can make the asphalt concrete core wall，the corridor and the rockfill behind the corridor deform coordinately is the optimal design scheme.The research results provide a theoretical basis for the structural type selection of asphalt concrete core wall.

Key words：

asphalt concrete core wall；concrete corridor；connection type；deformation coordination；Laluo Hydraulic Complex