黄华新，谢南茜，秦 强

(1.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410007；2.青海大学，青海西宁810016)

0 引 言

大河沿水库坝址区河床堆积为中等至强透水层的第四系全新统冲积含漂石砂卵砾石层，覆盖层厚84～186 m。该大坝的防渗系统主要由沥青混凝土心墙、基座和混凝土防渗墙三部分组成，设计选用了全墙形式刚性混凝土防渗墙作为基础防渗，墙体最大深度186.14 m，为目前世界上最深混凝土防渗墙工程，坝体采用沥青混凝土心墙作为防渗体系，基础和坝体之间通过混凝土基座进行连接。由国内外经验可知[1- 4]，在复杂的受力状况下，防渗系统易产生形态各异的裂缝，从而导致渗漏和渗透事故的发生。在项目实施过程中，随着坝体填筑深度的增加，附加荷载会不断变大，又因心墙与坝壳料之间存在刚度差异，从而导致不均匀沉降的发生；心墙在混凝土防渗墙顶托力的作用下，会产生纵向裂缝；因覆盖层刚度较小，从而引起混凝土防渗墙受力条件复杂，以致墙体有压碎的危险和可能在墙顶两侧产生拉裂缝；混凝土基座两岸深入基岩内部，在基岩与覆盖层相接部位，容易形成应力集中效应，从而产生基座裂缝、硗碛[5- 7]。为进一步了解大河沿水利枢纽工程在复杂状态的应力分布和位移变形情况，本文选用三维非线性有限元法，对其防渗系统进行了数值模拟分析，以为今后类似的项目设计和大河沿水利枢纽工程后续施工提供参考。

表1 坝料模型计算参数

1 工程概况

大河沿水利枢纽工程挡水建筑物为沥青混凝土心墙砂砾坝，最大坝高75 m，坝体分上游围堰区、砂砾坝壳料区、过渡料区、沥青混凝土心墙、排水棱体。沥青混凝土心墙为垂直式心墙，坝体填筑材料主要为砂砾石，心墙与上下游砂砾坝壳之间设2.0 m厚的过度层。坝址区河床覆盖层厚度最大达186 m，且以散粒体为主，为分层结构，上部为砂砾石夹粉质壤土及碎块石，下部为碎屑砂砾石。根据渗流控制要求，河床中设置刚性混凝土防渗墙，墙底直接深入基岩内1 m，最大深度为186 m。坝体及防渗系统典型剖面如图1所示。

图1 沥青混凝土心墙坝最大横剖面示意(单位：mm)

2 计算模型及仿真过程

2.1 计算模型

选用三维非线性有限元法对大河沿水利枢纽工程防渗系统在填筑期和蓄水期间的应力状态进行数值模拟。因沥青混凝土由矿物骨料、沥青胶结料和孔隙共同组成，为具有空间网状结构的多相分散体系，在常温下可看作是粘聚性较强的散粒体材料，其破坏规律可归结为剪切破坏，故选用邓肯E-B模型对沥青混凝土心墙的应力变形特性进行模拟；选用邓肯E-B模型对坝体填料、坝基覆盖层和沥青混凝土材料进行模拟；选用线弹性模型对坝基防渗墙、基座进行模拟；采用Goodman单元对混凝土防渗墙与覆盖层、基座与覆盖层及其周围坝体之间的接触情况进行模拟[8- 11]。各参数赋值情况分别见表1和表2。

表2 线弹性本构模型计算参数

根据坝料分区和坝体填筑过程，划分的三维有限元计算网格模型分别见图2和图3，计算网格分包包含98 219个节点和93 838个单元。

图2 计算模型

图3 防渗系统

3.2 仿真模拟过程

考虑到坝体施工分层碾压填筑和堆石体的非线性特性，荷载采用逐级施加的方式，沥青混凝土心墙与大坝堆石体同步填筑上升。计算按坝体施工填筑的先后顺序分29级来模拟，具体加载过程见表3。蓄水过程中考虑了水对心墙的压力及水对上游坝壳的浮力作用，未模拟蓄水后的坝体填料湿化效应和流变效应。

表3 分级施工及蓄水

表4 沥青混凝土心墙应力和变形极值

4 防渗系统计算结果

4.1 沥青混凝土心墙变形与应力变化规律

根据现场情况，对防渗系统在不同时期的应力情况进行仿真模拟。由模拟结果可知：沥青混凝土心墙在填筑期的最大竖向位移量为50.32 cm，发生在坝高约1/2处(图4a所示)；在填筑结束后，沥青混凝土心墙在水平方向的位移由两岸变为河谷中心，大致与河谷走向一致；当水位达到正常蓄水位时，沥青混凝土心墙的最大竖向位移量为49.30 cm(图4b所示)，其向下游发生位移，最大位移量为37.00 cm。具体计算结果分别见表4和图4。

图4 心墙沉降分布等值线(单位：m)

图5为不同时期的心墙应力等值线分布。由图5可知：在填筑期，沥青混凝土心墙的第一主应力和竖向正应力均随着高程的降低而逐渐增大，近似于平行分布。心墙的主应力最大值发生在沥青混凝土心墙底部；在填筑期和蓄水期间，沥青心墙基本上都处于受压状态，仅在左、右岸顶部出现小范围内的拉应力，其最大值为40.0 kPa。一般沥青混凝土心墙的极限拉伸强度约为1.0～1.5 MPa，弯曲拉伸强度多为2.0～3.0 MPa。因此，沥青混凝土心墙的拉应力不会影响其防渗性能，仍有较大安全储备。同时，沥青混凝土心墙在任意高程处的第一主应力和竖向正应力均大于相应水压力，沥青混凝土心墙也不会发生水力劈裂现象。

图5 不同时期下的心墙应力等值线分布(单位：kPa)

图6 蓄水期基座变形分布等值线(单位：m)

4.2 基座变形与应力变化规律

表5为混凝土基座应力和变形极值，图6为蓄水期基座变形分布等值线。由表5和图6可知：在填筑期和蓄水期间，基座的竖向位移变形规律基本类似，均由两侧向中部不断增大，最大变形发生在河谷中部混凝土防渗墙的顶部。在填筑期间，基座变形以竖向变形为主；在蓄水期间，随着上游水压力的不断增大，基座沿顺河向方向产生了较为明显的水平方向位移，且位移由两侧至河谷中部逐渐增大。在蓄水期间，基座两端因受河谷的约束作用，其变形较小，但中部变形却较大，导致基座局部处于受拉状态；在上游水压力和河谷约束力的共同作用下，基座的第一主应力峰值将随着其在下游方向弯曲变形的增大而增大，受拉区也将随之增大，但第三主应力在上游水压力作用下却明显减小。

表5 混凝土基座应力和变形极值

图7为不同时期的基座应力分布等值线。由表4和图7可知：在填筑期和蓄水期间，基座的第三主应力分布规律基本相同，最大值均出现在墙体中部。

图7 不同时期的基座应力分布等值线(单位：kPa)

4.3混凝土防渗墙变形与应力变化规律

图8和图9分别为填筑期和蓄水期混凝土防渗墙在不同方向变形情况。由图8、9可知：在填筑期间，混凝土防渗墙变形以竖向变形为主，顶部两侧竖向变形较小，中部变形大，从而导致其顶部两侧处于受拉状态；在蓄水期间，混凝土防渗墙在上游水压力的作用下，其水平方向位移由两侧向河谷中部、底部和墙顶增大，在距边界约(15～20)m处变形最为明显，随着变形的继续，混凝土防渗墙体内将因受到水平方向和轴向的弯矩作用，而使得墙体下游处于轴向和竖向受拉状态。在填筑期和蓄水期间，混凝土防渗墙的竖向变形规律基本相同，同时，在岩体底部，混凝土防渗墙因受岩体支撑力的作用，其竖向变形将从底部向顶部延伸，最大变形一般发生在河谷中部处的混凝土防渗墙顶部；在水平方向，混凝土防渗墙在两侧岩体的约束作用下，其竖向变形由两侧向中部延伸。

图8 填筑期混凝土防渗墙在不同方向变形情况(单位：mm)

图9 蓄水期混凝土防渗墙在不同方向变形情况(单位：m)

图10和图11分别为填筑期和蓄水期混凝土防渗墙的主应力分布情况。由图10和图11可知：在填筑期间，混凝土防渗墙的主应力峰值均随着覆盖层厚度的增加而增大，第一主应力峰值位于混凝土防渗墙顶部两侧；在蓄水期间，混凝土防渗墙在上游水压力和河谷约束作用力的共同作用下，整体向下游发生弯曲变形，第一主应力峰值随着上游水压力和河谷约束作用力的增加而增大，拉应力区由岸坡和底部向混凝土防渗墙内部逐渐延伸，整体受拉区范围增大；在填筑期和蓄水期间，混凝土防渗墙第三主应力的分布规律基本相同，最大值均出现在墙体中部。

图10 填筑期间混凝土防渗墙的主应力分布情况(单位：kPa)

图11 蓄水期间混凝土防渗墙的主应力分布情况(单位：kPa)

5 结 论

本文以大河沿水利枢纽工程为背景，选用三维非线性有限元法，对沥青混凝土心墙坝防渗系统的应力和变形规律进行了研究，得到以下结论：

(1)沥青混凝土心墙在填筑期的最大竖向位移发生在坝高约1/2处；在填筑结束后，沥青混凝土心墙的在水平方向的位移由两岸变为河谷中心，大致与河谷走向一致；水位达到正常蓄水位时，沥青混凝土心墙向下游发生变形，最大位移量为37.00 cm。此外，在填筑和蓄水期间，沥青混凝土心墙在任意高程处的第一主应力和竖向正应力均大于相应水压力，不会发生水力劈裂现象。

(2)在填筑期和蓄水期间，基座的竖向变形均由两侧向中部不断增大，最大变形发生在河谷中部混凝土防渗墙的顶部。在蓄水期间，基座两端因受河谷的约束作用，其变形较小，但中部变形却较大，导致基座局部处于受拉状态；在上游水压力和河谷约束力的共同作用下，基座的第一主应力峰值将随着其在下游方向弯曲变形的增大而增大，受拉区也将随之增大，但第三主应力在上游水压力作用下却明显减小。

(3)在岩体底部，混凝土防渗墙因受岩体支撑及约束的作用，竖向变形一般发生在河谷中部处的混凝土防渗墙顶部；在水平方向，混凝土防渗墙在两侧岩体的约束作用下，其竖向变形由两侧向中部延伸。在蓄水期间，混凝土防渗墙在上游水压力的作用下，其水平方向位移由两侧向河谷中部、底部和墙顶增大，在距边界约15～20 m处变形最为明显。

(4)在填筑期间，混凝土防渗墙的主应力峰值均随着覆盖层厚度的增加而增大，第一主应力峰值位于混凝土防渗墙顶部两侧；在蓄水期间，混凝土防渗墙在上游水压力和河谷约束作用力的共同作用下，整体向下游发生弯曲变形，第一主应力峰值随着上游水压力和河谷约束作用力的增加而增大，拉应力区由岸坡和底部向混凝土防渗墙内部逐渐延伸，整体受拉区范围增大；在填筑期和蓄水期间，混凝土防渗墙第三主应力的分布规律基本相同，最大值均出现在墙体中部。