大河沿水庫(kù)超厚覆蓋層上防滲系統(tǒng)應(yīng)力變形特性研究

黃華新，謝南茜，秦 強(qiáng)

(1.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.青海大學(xué)，青海西寧810016)

0 引 言

大河沿水庫(kù)壩址區(qū)河床堆積為中等至強(qiáng)透水層的第四系全新統(tǒng)沖積含漂石砂卵礫石層，覆蓋層厚84～186 m。該大壩的防滲系統(tǒng)主要由瀝青混凝土心墻、基座和混凝土防滲墻三部分組成，設(shè)計(jì)選用了全墻形式剛性混凝土防滲墻作為基礎(chǔ)防滲，墻體最大深度186.14 m，為目前世界上最深混凝土防滲墻工程，壩體采用瀝青混凝土心墻作為防滲體系，基礎(chǔ)和壩體之間通過混凝土基座進(jìn)行連接。由國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)可知[1- 4]，在復(fù)雜的受力狀況下，防滲系統(tǒng)易產(chǎn)生形態(tài)各異的裂縫，從而導(dǎo)致滲漏和滲透事故的發(fā)生。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，隨著壩體填筑深度的增加，附加荷載會(huì)不斷變大，又因心墻與壩殼料之間存在剛度差異，從而導(dǎo)致不均勻沉降的發(fā)生；心墻在混凝土防滲墻頂托力的作用下，會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫；因覆蓋層剛度較小，從而引起混凝土防滲墻受力條件復(fù)雜，以致墻體有壓碎的危險(xiǎn)和可能在墻頂兩側(cè)產(chǎn)生拉裂縫；混凝土基座兩岸深入基巖內(nèi)部，在基巖與覆蓋層相接部位，容易形成應(yīng)力集中效應(yīng)，從而產(chǎn)生基座裂縫、磽磧[5- 7]。為進(jìn)一步了解大河沿水利樞紐工程在復(fù)雜狀態(tài)的應(yīng)力分布和位移變形情況，本文選用三維非線性有限元法，對(duì)其防滲系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以為今后類似的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和大河沿水利樞紐工程后續(xù)施工提供參考。

表1 壩料模型計(jì)算參數(shù)

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75 m，壩體分上游圍堰區(qū)、砂礫壩殼料區(qū)、過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、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(shè)2.0 m厚的過度層。壩址區(qū)河床覆蓋層厚度最大達(dá)186 m，且以散粒體為主，為分層結(jié)構(gòu)，上部為砂礫石夾粉質(zhì)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(shè)置剛性混凝土防滲墻，墻底直接深入基巖內(nèi)1 m，最大深度為186 m。壩體及防滲系統(tǒng)典型剖面如圖1所示。

圖1 瀝青混凝土心墻壩最大橫剖面示意(單位：mm)

2 計(jì)算模型及仿真過程

2.1 計(jì)算模型

選用三維非線性有限元法對(duì)大河沿水利樞紐工程防滲系統(tǒng)在填筑期和蓄水期間的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。因?yàn)r青混凝土由礦物骨料、瀝青膠結(jié)料和孔隙共同組成，為具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多相分散體系，在常溫下可看作是粘聚性較強(qiáng)的散粒體材料，其破壞規(guī)律可歸結(jié)為剪切破壞，故選用鄧肯E-B模型對(duì)瀝青混凝土心墻的應(yīng)力變形特性進(jìn)行模擬；選用鄧肯E-B模型對(duì)壩體填料、壩基覆蓋層和瀝青混凝土材料進(jìn)行模擬；選用線彈性模型對(duì)壩基防滲墻、基座進(jìn)行模擬；采用Goodman單元對(duì)混凝土防滲墻與覆蓋層、基座與覆蓋層及其周圍壩體之間的接觸情況進(jìn)行模擬[8- 11]。各參數(shù)賦值情況分別見表1和表2。

表2 線彈性本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)

根據(jù)壩料分區(qū)和壩體填筑過程，劃分的三維有限元計(jì)算網(wǎng)格模型分別見圖2和圖3，計(jì)算網(wǎng)格分包包含98 219個(gè)節(jié)點(diǎn)和93 838個(gè)單元。

圖2 計(jì)算模型

圖3 防滲系統(tǒng)

3.2 仿真模擬過程

考慮到壩體施工分層碾壓填筑和堆石體的非線性特性，荷載采用逐級(jí)施加的方式，瀝青混凝土心墻與大壩堆石體同步填筑上升。計(jì)算按壩體施工填筑的先后順序分29級(jí)來模擬，具體加載過程見表3。蓄水過程中考慮了水對(duì)心墻的壓力及水對(duì)上游壩殼的浮力作用，未模擬蓄水后的壩體填料濕化效應(yīng)和流變效應(yīng)。

表3 分級(jí)施工及蓄水

表4 瀝青混凝土心墻應(yīng)力和變形極值

4 防滲系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

4.1 瀝青混凝土心墻變形與應(yīng)力變化規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)防滲系統(tǒng)在不同時(shí)期的應(yīng)力情況進(jìn)行仿真模擬。由模擬結(jié)果可知：瀝青混凝土心墻在填筑期的最大豎向位移量為50.32 cm，發(fā)生在壩高約1/2處(圖4a所示)；在填筑結(jié)束后，瀝青混凝土心墻在水平方向的位移由兩岸變?yōu)楹庸戎行?，大致與河谷走向一致；當(dāng)水位達(dá)到正常蓄水位時(shí)，瀝青混凝土心墻的最大豎向位移量為49.30 cm(圖4b所示)，其向下游發(fā)生位移，最大位移量為37.00 cm。具體計(jì)算結(jié)果分別見表4和圖4。

圖4 心墻沉降分布等值線(單位：m)

圖5為不同時(shí)期的心墻應(yīng)力等值線分布。由圖5可知：在填筑期，瀝青混凝土心墻的第一主應(yīng)力和豎向正應(yīng)力均隨著高程的降低而逐漸增大，近似于平行分布。心墻的主應(yīng)力最大值發(fā)生在瀝青混凝土心墻底部；在填筑期和蓄水期間，瀝青心墻基本上都處于受壓狀態(tài)，僅在左、右岸頂部出現(xiàn)小范圍內(nèi)的拉應(yīng)力，其最大值為40.0 kPa。一般瀝青混凝土心墻的極限拉伸強(qiáng)度約為1.0～1.5 MPa，彎曲拉伸強(qiáng)度多為2.0～3.0 MPa。因此，瀝青混凝土心墻的拉應(yīng)力不會(huì)影響其防滲性能，仍有較大安全儲(chǔ)備。同時(shí)，瀝青混凝土心墻在任意高程處的第一主應(yīng)力和豎向正應(yīng)力均大于相應(yīng)水壓力，瀝青混凝土心墻也不會(huì)發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象。

圖5 不同時(shí)期下的心墻應(yīng)力等值線分布(單位：kPa)

圖6 蓄水期基座變形分布等值線(單位：m)

4.2 基座變形與應(yīng)力變化規(guī)律

表5為混凝土基座應(yīng)力和變形極值，圖6為蓄水期基座變形分布等值線。由表5和圖6可知：在填筑期和蓄水期間，基座的豎向位移變形規(guī)律基本類似，均由兩側(cè)向中部不斷增大，最大變形發(fā)生在河谷中部混凝土防滲墻的頂部。在填筑期間，基座變形以豎向變形為主；在蓄水期間，隨著上游水壓力的不斷增大，基座沿順河向方向產(chǎn)生了較為明顯的水平方向位移，且位移由兩側(cè)至河谷中部逐漸增大。在蓄水期間，基座兩端因受河谷的約束作用，其變形較小，但中部變形卻較大，導(dǎo)致基座局部處于受拉狀態(tài)；在上游水壓力和河谷約束力的共同作用下，基座的第一主應(yīng)力峰值將隨著其在下游方向彎曲變形的增大而增大，受拉區(qū)也將隨之增大，但第三主應(yīng)力在上游水壓力作用下卻明顯減小。

表5 混凝土基座應(yīng)力和變形極值

圖7為不同時(shí)期的基座應(yīng)力分布等值線。由表4和圖7可知：在填筑期和蓄水期間，基座的第三主應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，最大值均出現(xiàn)在墻體中部。

圖7 不同時(shí)期的基座應(yīng)力分布等值線(單位：kPa)

4.3混凝土防滲墻變形與應(yīng)力變化規(guī)律

圖8和圖9分別為填筑期和蓄水期混凝土防滲墻在不同方向變形情況。由圖8、9可知：在填筑期間，混凝土防滲墻變形以豎向變形為主，頂部?jī)蓚?cè)豎向變形較小，中部變形大，從而導(dǎo)致其頂部?jī)蓚?cè)處于受拉狀態(tài)；在蓄水期間，混凝土防滲墻在上游水壓力的作用下，其水平方向位移由兩側(cè)向河谷中部、底部和墻頂增大，在距邊界約(15～20)m處變形最為明顯，隨著變形的繼續(xù)，混凝土防滲墻體內(nèi)將因受到水平方向和軸向的彎矩作用，而使得墻體下游處于軸向和豎向受拉狀態(tài)。在填筑期和蓄水期間，混凝土防滲墻的豎向變形規(guī)律基本相同，同時(shí)，在巖體底部，混凝土防滲墻因受巖體支撐力的作用，其豎向變形將從底部向頂部延伸，最大變形一般發(fā)生在河谷中部處的混凝土防滲墻頂部；在水平方向，混凝土防滲墻在兩側(cè)巖體的約束作用下，其豎向變形由兩側(cè)向中部延伸。

圖8 填筑期混凝土防滲墻在不同方向變形情況(單位：mm)

圖9 蓄水期混凝土防滲墻在不同方向變形情況(單位：m)

圖10和圖11分別為填筑期和蓄水期混凝土防滲墻的主應(yīng)力分布情況。由圖10和圖11可知：在填筑期間，混凝土防滲墻的主應(yīng)力峰值均隨著覆蓋層厚度的增加而增大，第一主應(yīng)力峰值位于混凝土防滲墻頂部?jī)蓚?cè)；在蓄水期間，混凝土防滲墻在上游水壓力和河谷約束作用力的共同作用下，整體向下游發(fā)生彎曲變形，第一主應(yīng)力峰值隨著上游水壓力和河谷約束作用力的增加而增大，拉應(yīng)力區(qū)由岸坡和底部向混凝土防滲墻內(nèi)部逐漸延伸，整體受拉區(qū)范圍增大；在填筑期和蓄水期間，混凝土防滲墻第三主應(yīng)力的分布規(guī)律基本相同，最大值均出現(xiàn)在墻體中部。

圖10 填筑期間混凝土防滲墻的主應(yīng)力分布情況(單位：kPa)

圖11 蓄水期間混凝土防滲墻的主應(yīng)力分布情況(單位：kPa)

5 結(jié) 論

本文以大河沿水利樞紐工程為背景，選用三維非線性有限元法，對(duì)瀝青混凝土心墻壩防滲系統(tǒng)的應(yīng)力和變形規(guī)律進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)瀝青混凝土心墻在填筑期的最大豎向位移發(fā)生在壩高約1/2處；在填筑結(jié)束后，瀝青混凝土心墻的在水平方向的位移由兩岸變?yōu)楹庸戎行?，大致與河谷走向一致；水位達(dá)到正常蓄水位時(shí)，瀝青混凝土心墻向下游發(fā)生變形，最大位移量為37.00 cm。此外，在填筑和蓄水期間，瀝青混凝土心墻在任意高程處的第一主應(yīng)力和豎向正應(yīng)力均大于相應(yīng)水壓力，不會(huì)發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象。

(2)在填筑期和蓄水期間，基座的豎向變形均由兩側(cè)向中部不斷增大，最大變形發(fā)生在河谷中部混凝土防滲墻的頂部。在蓄水期間，基座兩端因受河谷的約束作用，其變形較小，但中部變形卻較大，導(dǎo)致基座局部處于受拉狀態(tài)；在上游水壓力和河谷約束力的共同作用下，基座的第一主應(yīng)力峰值將隨著其在下游方向彎曲變形的增大而增大，受拉區(qū)也將隨之增大，但第三主應(yīng)力在上游水壓力作用下卻明顯減小。

(3)在巖體底部，混凝土防滲墻因受巖體支撐及約束的作用，豎向變形一般發(fā)生在河谷中部處的混凝土防滲墻頂部；在水平方向，混凝土防滲墻在兩側(cè)巖體的約束作用下，其豎向變形由兩側(cè)向中部延伸。在蓄水期間，混凝土防滲墻在上游水壓力的作用下，其水平方向位移由兩側(cè)向河谷中部、底部和墻頂增大，在距邊界約15～20 m處變形最為明顯。

(4)在填筑期間，混凝土防滲墻的主應(yīng)力峰值均隨著覆蓋層厚度的增加而增大，第一主應(yīng)力峰值位于混凝土防滲墻頂部?jī)蓚?cè)；在蓄水期間，混凝土防滲墻在上游水壓力和河谷約束作用力的共同作用下，整體向下游發(fā)生彎曲變形，第一主應(yīng)力峰值隨著上游水壓力和河谷約束作用力的增加而增大，拉應(yīng)力區(qū)由岸坡和底部向混凝土防滲墻內(nèi)部逐漸延伸，整體受拉區(qū)范圍增大；在填筑期和蓄水期間，混凝土防滲墻第三主應(yīng)力的分布規(guī)律基本相同，最大值均出現(xiàn)在墻體中部。