防洪堤心墻大壩工程運營穩(wěn)定性影響研究

陳 晶，華 中，王 鵬

(淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 漣水 223400)

作為水利防洪堤壩中重要的組成部分，心墻壩穩(wěn)定性以及防滲性均較佳，對心墻壩體開展水利設(shè)計參數(shù)優(yōu)化可提升流域防洪性能，保障堤壩安全穩(wěn)定運營[1-3]。物理模型試驗作為一種在室內(nèi)研究原尺寸水利工程的重要研究手段，施得兵等[4]、沈衛(wèi)[5]、陳斌等[6]基于此在室內(nèi)建立大壩、溢洪道等水利設(shè)施的模型，通過開展模型試驗獲得相應的運營數(shù)據(jù)及失穩(wěn)破壞特征，為實際工程水利設(shè)計提供重要參考。在一些工程中通過分析心墻壩體材料力學特性，利用室內(nèi)試驗力學手段建立壩體材料力學本構(gòu)模型與分析力學演變特征規(guī)律，為水利材料在心墻壩體中應用設(shè)計提供指導[7-9]。崔宏偉、楊倩等、張放等[10-12]認為仿真模擬計算具有高效性，可快速獲得不同工況、不同設(shè)計方案下的水利工程變形場、滲流場及應力場特征，為評價設(shè)計方案最優(yōu)性提供計算依據(jù)。本文對淮安地區(qū)改建防洪心墻堤壩開展彎曲段長度參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，基于變形與應力特征參數(shù)分析，進而確定心墻壩體最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。

1 工程仿真分析

1.1 工程概況

為提升淮安市防洪能力，工程設(shè)計部門考慮對流域內(nèi)兩岸修繕防洪大壩，降低雨季洪水威脅，提升城市排澇、防洪等能力，設(shè)計有南、北兩側(cè)干堤，其中南側(cè)堤壩全長36km，北側(cè)堤壩全長45.5km，堤頂設(shè)計最大高程為12.5m，迎水側(cè)堤壩坡度為1/3，背水一側(cè)坡度為1/4，堤頂目前已整修出寬度為7m的硬化道路。南、北兩側(cè)干堤均按照50a一遇洪水位設(shè)計，目前考慮對堤頂進行二次加高，提升防洪水位2～5m。該堤壩總共有7座水閘，其中大型水閘共有3座，水閘最寬處為15m，設(shè)置有攔污柵，降低泥沙淤積影響，在后期水利排險中對水閘進行了二次加固，設(shè)置有橫、縱連系梁加固結(jié)構(gòu)，其中橫梁采用預應力錨索結(jié)構(gòu)，張拉噸位3500kN，該水閘乃是防洪堤壩中重要迎、背水側(cè)聯(lián)通設(shè)施，其與下游引水泵站等組成水利中轉(zhuǎn)樞紐工程，堤頂設(shè)置防浪墻，降低堤頂被水力沖刷影響。淮安水閘設(shè)計為多孔式結(jié)構(gòu)，每孔寬度超過3m，可滿足水閘流量560m3/s，承擔著堤壩內(nèi)、外水資源調(diào)度及城區(qū)內(nèi)排澇的任務(wù)。本次防洪堤壩工程加固段長度約為4.5m，河面寬度為35.8m，過水斷面積為1520～1800m2，水文監(jiān)測表明河道內(nèi)20a一遇洪水最大流量可為2530m3/s。堤腳已鋪設(shè)混凝土排水溝與砌石擋土墻，其中溝寬為0.8m，迎水一側(cè)設(shè)置砌石與格賓石籠，作為堤腳防沖刷保護設(shè)施，石籠坡度為1/2，寬度為1.5m，目前，堤防大壩堤頂高程為11.2m，寬度為6m，堤坡為植被護坡，水土流失較嚴重，岸坡內(nèi)滲透坡降監(jiān)測值分布在0.4～0.65，極大威脅著堤壩整體防洪安全性。

鑒于防洪大堤在區(qū)域內(nèi)防洪安全的重要性，考慮對該堤壩進行重建設(shè)計，擬采用混凝土心墻堆壩作為加固設(shè)計方案，研究堤段內(nèi)壩體沿軸線長度為60m，設(shè)計心墻頂、底厚度分別為0.58、1.18m，壩體堆土料采用卵石砌筑與混凝土澆筑為實體。壩體所在區(qū)段內(nèi)基巖為灰?guī)r，承載力較大，室內(nèi)測試單軸抗壓強度超過50MPa，上覆土層為砂土、黏土及粉土，其中心墻底部接觸面為黏土質(zhì)，含水量較大，對壩體心墻彎曲段邊緣區(qū)域具有消蝕影響，削弱壩體防滲性，模擬計算表明心墻彎曲段在運營5a間受沖蝕后，滲透坡降可增大20%。為解決心墻壩體彎曲段沖蝕影響，對心墻彎曲段設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，以滿足防洪堤壩整體防滲要求。

1.2 工程建模

根據(jù)工程設(shè)計部門設(shè)計方案，利用三維建模軟件構(gòu)建水利仿真模型，該模型包括防浪墻、心墻壩以及上下游坡面，如圖1所示。

圖1 堤壩水利模型

采用ABAQUS計算平臺劃分堤壩模型單元網(wǎng)格，在心墻等重點區(qū)域加密劃分，提升心墻壩體研究區(qū)域的計算精度，共獲得單元網(wǎng)格105682個，節(jié)點685628個，如圖2所示。本文計算模型以壩體中軸線剖面中心為原點，壩體軸線右岸向為X正向，下游水流方向為Y正向，壩體高程向上方向為Z正向。根據(jù)河道內(nèi)水位狀態(tài)施加邊界荷載，其中枯水期為A工況，正常期為B工況，豐水期為C工況，所加荷載具有法向約束性；其他堆料及混凝土等巖土參數(shù)均按照室內(nèi)土工試驗測定取值，確保計算結(jié)果與實際工況相匹配[13-14]。

圖2 堤壩仿真計算模型

本文根據(jù)心墻彎曲段設(shè)計參數(shù)考慮對其彎曲段長度開展對比分析，設(shè)計5種不同設(shè)計方案，各方案中心墻彎曲段長度分別為壩體軸線長度的10%、15%、20%、25%、30%，即彎曲段長度分別為6m(1#方案)、9m(2#方案)、12m(3#方案)、15m(4#方案)、18m(5#方案)，典型設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 心墻彎曲段典型設(shè)計方案

2 心墻彎曲段參數(shù)對壩體應力影響

2.1 各向最大位移

經(jīng)對各彎曲長度參數(shù)設(shè)計方案進行仿真計算，獲得各方案下心墻壩體各向最大位移變化特征，如圖4所示。

圖4 各方案下心墻壩體各向最大位移變化特征

從圖4可看出，3個方向位移值以Z向最大，在1#方案彎曲段長度6m時Z向位移值為2.527m，而相同設(shè)計方案中X、Y向位移相比前者分別降低了80.6%、74.9%，表明心墻壩體設(shè)計中應重點考慮堆石壩的沉降問題。

對比彎曲長度參數(shù)對心墻各向變形影響可知，X向位移為先增后減變化，其中位移最大值乃是2#方案，達0.505m，在2#～5#方案中，最大位移逐步降低，彎曲段長度15、18m時最大位移相比2#方案下分別降低了6.3%、11.7%，表明彎曲長度對心墻X向變形具有階段性，當長度參數(shù)未超過一定節(jié)點時，其X向位移處于遞增狀態(tài)，而在該節(jié)點后，位移值逐步遞減，彎曲段長度每增大3m，心墻變形平均可降低4%。與之相對比，Y向位移在彎曲段長度參數(shù)為6～9m時有所降低，減少幅度約為11.1%，而在彎曲段長度9m后，Y向位移呈線性遞增，其中彎曲段長度12、18m設(shè)計方案Y向最大位移相比長度9m下分別增長了10.1%、16.4%，該階段中Y向位移具有較快的漲幅，彎曲段長度增大3m，可促使Y向最大位移提高8.6%。分析表明X、Y向位移在彎曲段長度參數(shù)為9m前后區(qū)間內(nèi)具有顯著逆轉(zhuǎn)變化，長度超過9m后，心墻X向最大位移為遞減，但Y向最大位移為遞增，在長度9m以下時，態(tài)勢為相反。筆者認為，對心墻來說，順河道水流方向(Y向)不應過大，避免造成心墻壩體發(fā)生順河向滑移，而壩體橫向方向可保持在較合適的變形區(qū)間，降低水流對壩體的沖擊動力特性影響。

從Z向位移受彎曲段長度參數(shù)影響關(guān)系可知，在彎曲段長度參數(shù)9m后，具有較大沉降變形，5個設(shè)計方案中以彎曲段長度9m下為最低，達2.336m；表明心墻彎曲段愈長，可提高心墻壩體向下沉降變形。綜合分析心墻各向最大位移認為，心墻壩體彎曲段長度9m時更有利于壩體安全穩(wěn)定。

2.2 位移分布特征

為分析心墻壩體位移分布特征，各設(shè)計方案中壩體位移分布特征基本相近，僅量值上有所差異，因而本文以彎曲段長度9m時開展分析，如圖5所示。

從圖5中可看出，X向位移呈壩體中部向左、右壩肩擴散，筆者認為X向位移的擴散性變化與心墻在橫河向上的移動有關(guān)，由于心墻體自身重力影響，導致兩側(cè)位移與中部區(qū)域具有顯著差異，最大位移出現(xiàn)在心墻壩體左側(cè)處，達0.505m。Y向位移自壩底至壩頂，呈先增后減變化，在壩體中部具有最大位移，為0.564m，壩體Y向位移變化與剛體材料在彎曲荷載作用下產(chǎn)生截面“下拉上壓“的特征，因而位移在剖面上具有階段性。Z向沉降以壩體中部為最大，為2.336m，而在壩基處具有向上的變形，此與堆石體在水上揚壓力影響，呈現(xiàn)上浮變形的特征，另在迎水側(cè)與背水側(cè)中，受上浮力影響心墻沉降，造成壩體兩側(cè)呈現(xiàn)差異性沉降，而以背水側(cè)沉降值更大[15-16]。

圖5 壩體位移分布特征(彎曲段長度9m)

3 心墻彎曲段參數(shù)對壩體變形影響

3.1 各向最大應力

對不同彎曲段長度設(shè)計方案進行計算，可獲得彎曲段長度參數(shù)影響下拉、壓應力特征，如圖6所示。

圖6 彎曲段長度參數(shù)影響下拉、壓應力特征

從圖6中可看出，3個方向中僅有X、Y向存在受拉，Z向上心墻壩體均為受壓狀態(tài)，且X、Y兩方向上拉應力在各設(shè)計方案中均保持一致，其均隨彎曲段長度為遞減變化，在彎曲段長度6m時，X向最大拉應力為0.4MPa，而在長度9、15、18m時，最大拉應力相比前者分別降低了25%、57.5%、57.5%，拉應力在彎曲段長度15m后基本保持穩(wěn)定，不發(fā)生較大波動，在彎曲段長度15m前，長度增長3m，平均可導致心墻拉應力損失24.4%，分析表明彎曲長度參數(shù)在心墻壩體X、Y向拉應力中無差異性影響，均保持對心墻拉應力的抑制效應。

從圖6(b)可知，3個方向中壓應力以Z向上為最大，在相同彎曲段長度12m設(shè)計方案中，Z向最大壓應力為16.9MPa，而與之同時X、Y向最大壓應力相比前者分別降低了14.6%、19.2%，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象與心墻壩體自重應力分布有關(guān)，在Z向上具有較廣泛的自重應力分布，最大壓應力受堆石料及混凝土心墻壩體自重影響，因而壓應力相比其他兩方向上的較高。從3個方向上最大壓應力與彎曲段長度參數(shù)變化關(guān)系可知，3個方向最大壓應力均呈一致性變化，即先增后減兩階段特征，以心墻彎曲段長度9m為節(jié)點，在該節(jié)點左區(qū)間內(nèi)，3個方向上最大壓應力均保持遞增態(tài)勢，在Z向彎曲段長度6m時最大壓應力為15.8MPa，而Z向上長度9m最大壓應力相比長度6m時要提高了31.7%，而在X、Y向中2個設(shè)計方案的最大壓應力漲幅分別為23.2%、15.6%，即彎曲段長度參數(shù)促進壓應力增長階段以Z向最為顯著。在彎曲段長度9m后，3個方向的壓應力均呈下降態(tài)勢，其中X向彎曲段長度12、18m最大壓應力相比長度9m時減少了19.3%、30.6%，在該階段中隨彎曲段長度增長3m，X、Y、Z向最大壓應力分別降低了11.3%、10.8%、11.2%。綜合拉、壓應力受彎曲段長度參數(shù)影響，分析認為以彎曲段長度9m時更有利于心墻壩體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，預壓效果顯著。

3.2 應力分布特征

根據(jù)各設(shè)計方案中典型應力分布特征，給出彎曲段長度9m時心墻壩體應力分布特征，如圖7所示。

圖7 心墻壩體應力分布特征(彎曲段長度9m)

從圖7可知，X向中僅在兩側(cè)壩肩存在有拉應力，而壩體大部分區(qū)域均為壓應力分布，且從壩頂至壩基壓應力遞增，最大壓應力達17.9MPa。同樣在Y向應力分布圖中，自壩頂至壩基為遞增，且各區(qū)間應力為分層分布，筆者認為此與迎水側(cè)水壓力作用在壩體上，進而引起不同高程處壓應力分布差異，最大壓應力仍位于心墻底部，為16.79MPa，而最大拉應力位于背水側(cè)，受迎水側(cè)水壓力及堆石料土壓力彎曲影響，在壩體兩側(cè)壩肩存在有拉應力分布，最大拉應力為0.3MPa。Z向中無張拉應力分布，壩體上均為受壓，在壩體及混凝土心墻自重應力影響下，從壩頂至壩基，壓應力遞增，最大壓應力為20.81MPa；而在迎水側(cè)受上浮水壓力對自重應力的平衡影響，其壓應力分布低于背水側(cè)。

4 結(jié)論

(1)心墻Z向位移值最大；X、Y向位移在彎曲段長度參數(shù)為9m前后分別為遞減、遞增，而在9m以下時態(tài)勢相反。

(2)X、Y、Z向位移自壩底至壩頂，呈先增后減變化，受上浮水壓力影響，壩體迎水側(cè)Z向沉降低于背水側(cè)；從壩頂至壩基X、Y向壓應力遞增，且Z向均為受壓。

(3)X、Y兩向上拉應力相等，長度增長3m，最大拉應力損失24.4%；壓應力以Z向最大；最大壓應力以彎曲段長度9m為節(jié)點，超過該節(jié)點后，長度增長3m，X、Y、Z向最大壓應力分別降低了11.3%、10.8%、11.2%。

(4)認為彎曲段長度9m時更有利于壩體安全穩(wěn)定。