高土石壩廊道與防滲墻定向支座連接型式研究

徐 晗，饒錫保，陳 云，楊昕光，潘家軍

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430010）

深厚覆蓋層上高土石壩的防滲體系需要在覆蓋層中設(shè)置混凝土防滲墻，在復(fù)雜的河谷地形及上部壩體自重與水壓力的作用下，混凝土廊道與防滲墻的受力性狀十分復(fù)雜，合理的接頭型式設(shè)計(jì)對(duì)確保防滲體系的安全至關(guān)重要。

為確保工程安全與防滲效果，廊道與防滲墻之間一般采用剛接型式［1-3］，這樣壩體自重通過(guò)混凝土廊道傳遞到防滲墻上，且防滲墻周邊覆蓋層的沉降摩擦作用引起防滲墻出現(xiàn)一定的豎向應(yīng)力，這兩種作用合成后，常使混凝土防滲墻的計(jì)算壓應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗壓強(qiáng)度?？稍诜罎B墻頂部與混凝土廊道之間預(yù)留一定空隙［4］，但由于混凝土底座體積大、適應(yīng)變形的能力差，這種接頭的止水構(gòu)造又十分復(fù)雜，止水易破壞且不易修補(bǔ)，因此預(yù)留空隙的接頭型式防滲可靠性較差。

綜上所述，無(wú)論是剛接還是預(yù)留空隙的接頭型式均無(wú)法適應(yīng)深厚覆蓋層上高土石壩變形控制和防滲結(jié)構(gòu)安全的需要，應(yīng)進(jìn)一步研究混凝土廊道與防滲墻新型連接型式，以確保防滲結(jié)構(gòu)的安全。

1 定向支座連接型式

對(duì)于深厚覆蓋層來(lái)說(shuō)，覆蓋層在壩體自重作用下壓縮較大，而防滲墻剛度較大、自身壓縮量較小，因此防滲墻與覆蓋層之間存在較大的沉降差［5］，為了避免防滲墻向上頂壓破壞廊道及防滲墻自身壓應(yīng)力過(guò)大，本文提出防滲墻與廊道采用定向支座連接的型式。這種連接型式在壩體竣工前可使防滲墻能自由伸入廊道，由于防滲墻能自由上下移動(dòng)，避免了廊道將其上部的巨大壩體自重傳遞到防滲墻上，因此不會(huì)引起較大的軸向拉、壓應(yīng)力。其計(jì)算力學(xué)模型可采用圖1所示的定向支座型式［6］，也可在適當(dāng)時(shí)機(jī)將廊道與防滲墻頂端嵌固起來(lái)。本文假定定向支座方案在滑動(dòng)過(guò)程中和嵌固后都能夠保證防滲體系的防滲作用有效，只研究其應(yīng)力變形特性。

圖1 防滲墻與廊道相互作用的定向支座力學(xué)模型

2 計(jì)算模型與計(jì)算條件

設(shè)定心墻壩壩高112 m，覆蓋層深60 m，其中有10 m厚的軟弱黏土夾層，正常蓄水位在壩高110 m處，防滲墻深入基巖內(nèi)1 m。由于混凝土與筑壩材料之間的材料性質(zhì)相差較大，兩者之間存在一定程度的相對(duì)滑移，因此在混凝土防滲墻與覆蓋層、混凝土廊道與筑壩材料之間均設(shè)置了接觸面單元，采用Coulomb摩擦定律計(jì)算極限剪應(yīng)力，只需要用界面摩擦系數(shù)來(lái)表征接觸表面的摩擦行為。根據(jù)三峽二期圍堰的工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土防滲墻與覆蓋層之間普遍存在2～3 cm厚的泥皮［7］，因而其摩擦系數(shù)取0．2，混凝土廊道與筑壩材料之間摩擦系數(shù)取0．6。

對(duì)完建期和蓄水期大壩的應(yīng)力與變形特征進(jìn)行分析，完建期和蓄水期對(duì)應(yīng)的工況分別為：①完建期，大壩上下游無(wú)水荷載，分級(jí)模擬大壩施工過(guò)程，大壩從建基面最低高程均勻填筑到設(shè)計(jì)壩高；②蓄水期，大壩填筑完成后，分級(jí)模擬大壩上游蓄水至正常水位。

計(jì)算中各壩料采用鄧肯E-B本構(gòu)模型，混凝土采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型。

3 防滲墻應(yīng)力變形分析

設(shè)置的計(jì)算方案見(jiàn)表1，混凝土廊道與防滲墻之間的連接型式分別為剛接與定向支座（見(jiàn)圖2）。

表1 計(jì)算方案

圖2 混凝土廊道與防滲墻接頭型式

表2為防滲墻應(yīng)力變形極值統(tǒng)計(jì)，其中應(yīng)力符號(hào)以受壓為負(fù)、受拉為正、沉降以豎直向下為正、向上為負(fù)，水平位移以向下游為正、向上游為負(fù)。防滲墻中軸線(xiàn)豎向應(yīng)力曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

表2 防滲墻應(yīng)力變形極值統(tǒng)計(jì)

（1）剛接方案時(shí)完建期防滲墻最大壓應(yīng)力為-43．4 MPa，超過(guò) C35混凝土的極限抗壓強(qiáng)度（-40 MPa），沉降最大值為6．1 cm。定向支座方案完建期防滲墻最大壓應(yīng)力為-21．8 MPa，小于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，沉降最大值為2．0 cm。

（2）蓄水期在上游壩體的浮力作用下防滲墻應(yīng)力有所減小，同時(shí)位移增大，此時(shí)剛接方案壓應(yīng)力最大值為-24．1 MPa，定向支座方案防滲墻有較大的拉應(yīng)力，這是水壓力作用下偏心扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的，定向支座方案防滲墻最大拉應(yīng)力為5．7 MPa。由圖3防滲墻中軸線(xiàn)豎向應(yīng)力沿高程分布曲線(xiàn)可知，定向支座方案防滲墻基本為全斷面受拉狀態(tài)。

可見(jiàn)，定向支座型式的主要優(yōu)點(diǎn)是在完建期允許防滲墻能自由伸入廊道，與防滲墻頂端剛接廊道的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式相比，能充分減小上部壩體的巨大自重經(jīng)過(guò)廊道傳遞給防滲墻的壓應(yīng)力，但缺點(diǎn)非常明顯，即蓄水期有較大的拉應(yīng)力。

一般來(lái)說(shuō)，防滲墻在蓄水期有兩種受力性能：①主要荷載為墻體承受上部心墻壩土體傳來(lái)的巨大荷重及靜水壓力，主要受力性能為偏心受壓［8］，防滲墻承受很大的壓應(yīng)力；②施工圍堰等工程的防滲墻上部土體壓重不占主要地位，而靜水壓力起主要作用，主要受力性能是彎曲作用。在水壓力作用下防滲墻彎曲會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而蓄水前軸向壓應(yīng)力與水壓力作用引起的拉應(yīng)力合成后可相互抵消，當(dāng)軸向壓應(yīng)力足夠大時(shí)，可確保在蓄水后防滲墻仍為偏心受壓構(gòu)件，從而不引起過(guò)大的防滲墻拉應(yīng)力。

圖3 防滲墻中軸線(xiàn)豎向應(yīng)力（MPa）

綜上所述，防滲墻與覆蓋層之間存在較大的沉降差，為了避免防滲墻向上頂壓破壞廊道及防滲墻自身壓應(yīng)力過(guò)大，要慎重采用剛接方式。但正如前所述，防滲墻頂端蓄水前受到一定的壓應(yīng)力是有益的，因而在壩體填筑完成后將接頭嵌固不合適。

4 定向支座接頭嵌固時(shí)機(jī)對(duì)防滲墻應(yīng)力變形的影響

上述計(jì)算表明，若廊道與防滲墻接頭采用定向支座型式，壩體填筑完成后將廊道與防滲墻頂端嵌固起來(lái)，此時(shí)雖然完建期防滲墻的壓應(yīng)力減小較多，但是在蓄水期防滲墻拉應(yīng)力較大，幾乎全斷面受拉，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此，設(shè)置了接頭嵌固時(shí)機(jī)方案，當(dāng)壩體填筑到設(shè)計(jì)壩高的1／2左右（此時(shí)壩高56 m）時(shí)將廊道與防滲墻頂端嵌固起來(lái)，稱(chēng)為方案3。重點(diǎn)比較了方案3與方案2的防滲墻應(yīng)力狀態(tài)。方案2與方案3應(yīng)力、變形計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 接頭嵌固時(shí)機(jī)對(duì)防滲墻應(yīng)力、變形的影響

不同嵌固時(shí)機(jī)防滲墻中軸線(xiàn)豎向應(yīng)力曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 不同嵌固時(shí)機(jī)防滲墻中軸線(xiàn)豎向應(yīng)力

由表3可知，方案3無(wú)論在完建期還是蓄水期防滲墻始終為受壓狀態(tài)，完建期其壓應(yīng)力最大值為-34．2 MPa，小于剛接方案的（-43．4 MPa），蓄水期無(wú)拉應(yīng)力產(chǎn)生，最大壓應(yīng)力為-14．5 MPa，應(yīng)力狀態(tài)較為合理。

對(duì)于建在深厚覆蓋層上的高土石壩來(lái)說(shuō)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整廊道與防滲墻頂端的嵌固時(shí)機(jī)，可以人工控制防滲墻受到的拉、壓應(yīng)力。根據(jù)方案3計(jì)算結(jié)果，當(dāng)壩體填筑到設(shè)計(jì)壩高的1／2左右時(shí)可將廊道與防滲墻頂端嵌固起來(lái)，使防滲墻頂端受到一定的壓應(yīng)力，從而在蓄水期水壓力作用下使防滲墻全斷面仍處于受壓狀態(tài)。

5 結(jié) 論

（1）定向支座連接型式的主要優(yōu)點(diǎn)是允許防滲墻能自由伸入廊道，與防滲墻頂端剛接廊道的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式相比，能充分減小上部壩體的巨大自重經(jīng)過(guò)廊道傳遞給防滲墻的壓應(yīng)力。

（2）防滲墻頂端蓄水前受到一定的壓應(yīng)力是有益的，在水壓力作用下防滲墻彎曲變形會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而蓄水前的軸向壓應(yīng)力足夠大時(shí)，可確保在蓄水后防滲墻仍為偏心受壓構(gòu)件。定向支座型式與剛接型式相比，雖然完建期防滲墻壓應(yīng)力大幅減小，但是蓄水期防滲墻拉應(yīng)力大幅增大。

（3）防滲墻與覆蓋層之間存在較大的沉降差，為了避免完建期防滲墻出現(xiàn)極高的壓應(yīng)力，要慎重采用混凝土廊道與防滲墻剛接型式；對(duì)于定向支座接頭型式，不能采用壩體填筑完再將防滲墻與廊道接頭嵌固的方式，避免防滲墻在蓄水期產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

（4）采用定向支座接頭型式，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整廊道與防滲墻頂端的嵌固時(shí)機(jī)，可以人工控制防滲墻受到的拉、壓應(yīng)力。在本次計(jì)算參數(shù)取值條件下，當(dāng)壩體填筑到設(shè)計(jì)高程的1／2左右時(shí)將廊道與防滲墻頂端嵌固起來(lái)，可使防滲墻頂端受到小于混凝土極限抗壓強(qiáng)度的壓應(yīng)力，同時(shí)在蓄水期水壓力作用下使防滲墻全斷面仍處于受壓狀態(tài)。