深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩應力變形敏感性分析

黃華新，秦 強，王振宇

(湖南省水利水電勘測設計研究總院， 湖南 長沙 410007)

深厚覆蓋層上修建的瀝青混凝土心墻壩一般由壩體及防滲體系組成，其防滲體系一般由瀝青混凝土心墻及覆蓋層中的混凝土防滲墻組成，兩者之間通過混凝土基座進行連接[1-2]。其應力變形問題非常復雜，除了壩體自身的應力變形問題、覆蓋層的應力變形問題外，還有壩體與瀝青心墻的相互作用、覆蓋層與防滲墻的相互作用，瀝青心墻與防滲心墻相互作用等，這些問題均需在結構應力應變分析中進行研究[3-5]。因此，通過非線性有限元分析研究深厚覆蓋層上修建的瀝青混凝土心墻壩的壩體與覆蓋層、壩體與防滲體系及覆蓋層與防滲體系之間的相互作用，是目前研究的主要方向[6-8]。本文以大河沿樞紐工程為依托，采用二維非線性有限元方法，對深厚覆蓋層地基上瀝青心墻壩在典型工況下的應力變形特性進行了分析，并針對不同的覆蓋層和防滲墻物理力學參數(shù)進行了壩體及防滲墻應力變形的敏感性分析，以期為深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩的設計與施工提供技術指導與參考依據(jù)。

1 工程概況

大河沿水利樞紐工程擋水建筑物為瀝青混凝土心墻砂礫壩，最大壩高為75 m，壩體分為砂礫壩殼料區(qū)、過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻和排水棱體。瀝青混凝土心墻為垂直式心墻，壩體填筑材料主要為砂礫石，心墻與上下游砂礫壩殼之間設2.0 m厚的過渡層。壩址區(qū)河床覆蓋層厚度最大達184.2 m，且以散粒體為主，為分層結構，上部為砂礫石夾粉質壤土及碎塊石，下部為碎屑砂礫石。根據(jù)滲流控制要求，河床中設置剛性混凝土防滲墻，墻底直接深入基巖內1 m～2 m，最大深度為186.2 m，防滲墻通過基座與瀝青心墻連接組成整個工程防滲體系。壩體典型剖面如圖1所示。

圖1瀝青混凝土心墻壩最大橫剖面

2 模型的建立

基于設計過程中遇到的實際問題，結合地質勘察資料及類似工程的經驗[6]，本文采用非線性有限元方法，對大河沿瀝青混凝土心墻壩壩體、心墻及混凝土防滲墻在竣工期及蓄水期的應力變形特征進行仿真模擬。計算參數(shù)與本構模型的選取見表1和表2。

表1 壩料模型計算參數(shù)

表2 線彈性本構模型計算參數(shù)

計算區(qū)域共劃分為7 069個四邊形單元、7 112個節(jié)點。混凝土防滲墻與覆蓋層、基座與覆蓋層、基座與周圍壩體之間，均采用修正Goodman單元模擬接觸情況[13-15]。參照已有的一些資料，為了模擬混凝土防滲墻周圍的泥皮，接觸單元厚度取為0.1 m，摩擦系數(shù)取為0.2。在防滲墻底部設置修正Goodman單元、接觸單元厚度取為0.2 m模擬混凝土土防滲墻底部的沉渣，摩擦系數(shù)取為0.2，有限元網格模型如圖2所示。

3 瀝青心墻壩應力變形結果分析

圖2計算模型網格剖分圖

采用分級加載方法對壩體填筑和蓄水過程進行仿真模擬。荷載分21級逐級施加，基巖和覆蓋層各1級(含混凝土防滲墻)，壩體填筑施工分為17級，蓄水共分3級?；鶐r和覆蓋層自重施工完成后，將計算的位移場清零，僅保留應力場，因此，下述位移均為壩體填筑施工和蓄水引起的。從具體計算結果分析：

竣工期間，上游壩體和覆蓋層的水平位移為負，最大值為14.6 cm，下游部分水平位移為正，最大值為16.8 cm。蓄水后，壩體和覆蓋層的水平位移有向正方向移動的趨勢，且壩體在正方向的水平位移明顯增大，最大值達到59.3 cm。

無論竣工期還是蓄水期，壩體和覆蓋層的累積豎向沉降量最大值均發(fā)生在距壩頂約2/3壩高處，竣工期的沉降量最大值發(fā)生在心墻內，最大沉降值為65.2 cm，蓄水期沉降量最大值稍微偏離心墻向下游，最大沉降值為52.6 cm。蓄水過程采用全應力-滲流耦合方法進行模擬，蓄水后壩體未考慮壩體材料的濕化效應，導致壩體蓄水后計算沉降偏小。

大、小主應力基本均為壓應力，從壩面向壩內逐漸增大、壩體基座及防滲墻周圍應力較為集中，梯度相對較大，最大值發(fā)生在壩體與基座交接處，其中，竣工期大主應力最大值為2.02 MPa、小主應力最大值為1.04 MPa；蓄水期大主應力最大值為1.62 MPa，小主應力最大值為0.83 MPa。同時，在竣工期，壩體的大主應力拱效應明顯，心墻區(qū)域大主應力比壩殼區(qū)的應力明顯低，蓄水后這種應力拱效應明顯減弱。

4 壩體及防滲結構應力變形敏感性分析

4.1 覆蓋層參數(shù)敏感性分析

大河沿水利樞紐工程覆蓋層最大深度為184.2 m，為分層結構，覆蓋層物理力學參數(shù)的變化，對壩體及防滲結構應力變形產生很大影響。為進一步探索不同覆蓋層對壩體及其防滲墻應力變形的影響，本文分別選取了K、2K和3K三種材料參數(shù)(K為覆蓋層模量系數(shù))，建立數(shù)值仿真模型，進行對比分析。計算結果見表3～表5。

由表3和表4可知：在竣工期和蓄水期，壩體和瀝青心墻的水平位移量、豎向沉降量均隨覆蓋層模量的增加而逐漸降低，但覆蓋層模量改變對壩體和瀝青心墻的大、小主應力的影響均較小；混凝土基座的水平位移量、豎向沉降量和大、小主應力均隨覆蓋層模量的增加而逐漸降低，且兩個工況下減小的比例基本相同。

由表5可知：在竣工期和施工期間，防滲墻豎向沉降量、水平位移量和大、小主應力均隨覆蓋層模量的增加而降低，減小比例基本一致。

4.2 防滲墻混凝土材料參數(shù)敏感性分析

混凝土彈性模量是影響其變形性能的主要因素，是混凝土對環(huán)境適應能力的一個重要指標，對壩體及防滲墻應力變形的影響較為顯著。根據(jù)工程類比選用彈性模量為30 GPa、28 GPa、20 GPa、2 GPa四個參數(shù)，分別進行應力變形計算，計算結果見表6～表8。

表3 不同覆蓋層參數(shù)對壩體應力和變形的影響

表4 不同覆蓋層參數(shù)對基座應力和變形的影響

由表6和表7可知：在竣工期和蓄水期，壩體和瀝青心墻的水平位移量、豎向沉降量和大、小主應力均隨防滲墻彈性模量的降低而逐漸增大、但變化的幅度較??；基座的水平位移量和豎向沉降量均隨防滲墻彈性模量的增大而大幅度增大，大、小主應力則明顯減小，減小比例基本一致。

由表8可知：在竣工期和蓄水期，防滲墻豎向沉降量隨混凝土彈性模量的降低而逐漸增大，大主應力量則相反；其對水平位移量及小主應力量的改變影響較小。

表6 防滲墻彈性模量變化對壩體應力和變形的影響

表7 防滲墻彈性模量變化對基座應力和變形的影響

表8 防滲墻彈性模量變化對混凝土防滲墻應力和變形的影響

5 結 論

以大河沿樞紐工程為依托，研究了深厚覆蓋層地基瀝青心墻壩在兩種典型工況(竣工期和蓄水期)下的應力變形特性，并通過選取不同覆蓋層和防滲墻的物理力學參數(shù)，進行了壩體和防滲墻的應力變形敏感性分析，得出如下結論：

(1) 竣工期間，壩體及覆蓋層的水平位移呈現(xiàn)兩種趨勢，上游部分水平位移指向上游，下游水平位移指向下游；蓄水后，壩體及覆蓋層的水平位移均指向下游，且在水壓力作用下，位移值明顯增加，豎向沉降分布規(guī)律與竣工期基本相同。

(2) 兩種工況下主應力分布規(guī)律基本相同，大、小主應力分布均為壓應力，應力從壩面向壩內逐漸增大、壩體基座及防滲墻周圍應力集中、梯度相對較大，最大值發(fā)生在壩體與基座交接處；同時，在竣工期，壩體的大主應力拱效應明顯，心墻區(qū)域大主應力比壩殼區(qū)的應力明顯低，蓄水后這種應力拱效應明顯減弱。

(3) 瀝青心墻壩應力變形敏感性分析可知：覆蓋層模量的提高可以有效地降低壩體及瀝青心墻的水平位移及豎向沉降，但對壩體及瀝青心墻的應力影響較小；同時，覆蓋層模量提高能較為有效地約束防滲墻墻體變形、減小防滲墻的主應力，改善墻體應力狀態(tài)。防滲墻彈性模量的改變對壩體及瀝青心墻的變形及應力影響較小，但能有效減小防滲墻及基座與兩側覆蓋層之間的沉降差，降低防滲墻及基座的主應力值，改善防滲墻自身的應力狀態(tài)。

因此，建議在設計中可以通過對基座附近的覆蓋層進行灌漿加固處理，減小壩體豎向沉降，改善基座及防滲墻的應力狀態(tài)，或混凝土結構采用低彈性模量的塑性混凝土，降低基座及防滲墻的應力水平。