深覆盖层上面板堆石坝坝体与覆盖层相互作用研究

吴建春，李 荣，徐泽平

（1.河海大学水利水电工程学院，江苏 南京 210098；2.南京市水利规划设计院，江苏 南京 210016；3.中国水利水电科学研究院，北京 100044）

0 前 言

在土石坝工程中，坝基为深厚冲积覆盖层的情况非常普遍，此时，深覆盖层的防渗处理以及覆盖层与上部坝体的相互作用关系往往是大坝工程设计和安全运行的关键所在。对于坐落在砂砾石覆盖层上的面板堆石坝，其地基处理一般采用以下三种方式：（1）将覆盖层全部挖除；（2）趾板开挖后置于基岩上，而坝体建于砂砾石层上；（3）将趾板置于砂砾石层上，并采用混凝土防渗墙处理地基。对于第一种处理方式，只有当地基覆盖层很浅或覆盖层中有特殊的地层情况时才采用。第二种处理方式是目前我国面板堆石坝建设中最常用的地基处理方式，如西北口、乌鲁瓦提、珊溪和黑泉等。但这种处理方式在坝基覆盖层很深的情况下，势必会造成工程量的增大和工期的延长，同时，如果开挖过深的话，还会引起反渗水压对垫层的破坏。因此，对于深厚覆盖层上的面板堆石坝，在条件适合的情况下，采用垂直防渗的方案将是一种较为有效的处理方式。目前，国际上，智利已建成了两座采用垂直防渗方案的深覆盖层上的面板堆石坝（圣塔约纳：坝高67 m，覆盖层35 m；帕科拉罗：坝高83 m，覆盖层厚113 m），而我国目前已建成的梅溪（坝高40 m）和岑港（坝高27.6 m）面板坝也是采用垂直防渗方案的深覆盖层上面板堆石坝。主要结合坝高107 m的新疆察汗乌苏面板砂砾石坝（地基覆盖层厚40 m），采用数值计算的方法分析深覆盖层上面板堆石坝的应力变形特性和坝体与坝基的相互作用关系，在此基础上，对深覆盖层的垂直防渗结构形式进行研究。

1 深覆盖层上面板堆石坝的断面设计形式

在深覆盖层上采用垂直防渗方案的面板堆石坝是利用混凝土防渗墙处理地基，将趾板直接置于砂砾石地基上，并用趾板或连接板将防渗墙和面板连接起来，接缝处设置止水，从而形成完整的防渗系统。采用这种方式的深厚覆盖层上的面板堆石坝，在其坝体结构形式的布置上，一般都将混凝土防渗墙布置在上游坝脚以外的一定距离，混凝土防渗墙的施工与坝体的施工可以同时进行，互不干扰，待施工期坝体和地基的变形相对稳定后，再浇筑趾板和连接板，以尽量减少趾板与防渗墙之间的差异变形。对于趾板与防渗墙之间的连接，有采用趾板直接连接的，如我国的梅溪、岑港，也有采用连接板连接的，如智利的圣塔约纳和帕克拉罗。趾板或连接板与防渗墙顶一般采用平接的形式，其接缝按周边缝处理。如采用连接板形式，中间还可设置伸缩缝，以更好地适应地基不均匀沉陷变形。

对于采用垂直防渗墙处理深厚覆盖层，以往的工程实践表明，防渗墙与上部坝体防渗体的连接部分往往是大坝～地基整个防渗系统的最薄弱环节，同时，地基覆盖层、防渗墙与上部坝体的相互作用也是影响大坝安全的重要因素。

2 分析方法

2.1 计算模型

计算分析中，坝体和地基砂砾石以及坝体下游堆石等土石材料均采用邓肯-张双曲线非线性弹性E-B模型，基岩、混凝土面板、混凝土防渗墙和连接板等材料采用线弹性模型。

邓肯模型的模量计算公式分别为：

切线弹性模量

切线体积模量

卸荷时，采用卸荷弹性模量

式中，σ1和σ3为最大和最小主应力；Pa为大气压力；c和ϕ为强度指标；Rf为破坏比；K为弹性模量数；n为弹性模量指数；Kb为体积模量数；m为体积模量指数；Kur为卸荷弹性模量数。

2.2 接触面及接缝系统的模拟

计算分析中，在面板与垫层、趾板与地基、连接板与地基、防渗墙与地基之间，由于材料性质相差悬殊，在外力作用下，通常都会表现出与连续体不同的剪切滑移、脱开分离等特殊的变形特征，因此，计算分析中需要采用特殊的单元来加以模拟，以准确、真实地反映坝体各部位相互作用的特性。事实上，从实际工程的观测和试验室的试验中均可发现，在两种材料性质相差悬殊的介质之间，一般都会在材料性质相对较弱的一面形成一个薄层的剪切带，因此，采用薄层接触面单元来模拟不同材料之间的接触情况可能会更接近实际。

对于薄层接触面单元，接触面上的变形可以分为基本变形和破坏变形两部分。正常受力情况下，单元产生基本变形｛ε'｝，其材料的本构关系与垫层料一致，薄层单元在计算过程中按普通实体单元参与计算。当剪应力达到抗剪强度产生了沿接触面的滑动破坏或接触面受拉产生了拉裂破坏时，单元产生破坏变形｛ε''｝，破坏变形采用刚塑性假定，即假定接触面单元破坏前，接触面上无相对位移，当接触面发生张裂和剪切变形时，则相对位移将不断发展。

对于接触面上的破坏变形｛ε''｝，可以用下式表示：

式中，E''和G''分别是反映拉裂破坏变形和滑动破坏变形的模量参数。平行于接触面方向上的正应变由于受到混凝土的约束不会发生破坏，因此可取Δεs''=0，对应的[C]''矩阵中的相应元素取为0。

接触面的总变形为基本变形和破坏变形的叠加：

程序中薄层单元的形式与常规的实体单元相同，对于面板与垫层之间的接触面，薄层单元取垫层材料的本构关系，对趾板与地基以及连接板与地基之间的接触面，薄层单元取地基砂砾石材料的本构关系，而对于地基中混凝土防渗墙与周边砂砾石层的接触面，考虑到防渗墙造孔时的泥浆固壁过程，因此，薄层单元取泥皮的本构关系。在正常受力情况下，薄层单元在计算过程中按普通实体单元参与计算，但接触面之间的剪应力超出抗剪强度后，则采用降低模量的方式进行剪切破坏法处理；当接触面之间的法向正应力为零或为负时，程序中同样也要采用受拉破坏法处理。对于防渗墙与连接板、连接板与连接板、连接板与趾板、趾板与面板之间的接缝，则采用软单元的方式对接缝的柔性材料进行模拟。当接缝受压时，软单元取混凝土材料的性质；当接缝受拉时，软单元取柔性填料的性质。

3 计算结果

计算分析所得坝体和地基的应力、变形分布如图1～2所示，图3为坝体及地基的整体变形趋势，图4、图5为连接板变形趋势，竣工期和蓄水期坝基防渗墙的变形如图6所示。

图1 蓄水期坝体和地基的水平位移（单位：m）Fig.1 Horizontal displacement of dam body and foundation during water storage

图2 蓄水期坝体和地基的垂直位移（单位：m）Fig.2 Vertical displacement of dam body and foundation dur-ing water storage

图3 蓄水期坝体及地基的网格变形图Fig.3 Mesh deformation of dam body and foundation during water storage

图4 竣工期连接板的变形图Fig.4 Deformation of connecting plate during completion of construction

图5 蓄水期连接板的变形图Fig.5 Deformation of connecting plate during water storage

图6 坝基防渗墙位移（单位：m）Fig.6 Displacement of diaphragm wall

4 计算成果分析

从坝体及地基的网格变形图上（图3）可以看出，坝基覆盖层对上部坝体的变形有着明显的影响。对于修建在基岩上的坝体，基岩的沉降变形微乎其微，因此，坝体的变形主要是坝体在其自重和水荷载作用下的变形。而对于修建在深覆盖层上的坝体，可压缩的地基层在上部坝体的作用下将导致坝体建基面产生一个下凹的变形，因此，坝体最大沉降的位置明显下移，而且，在坝顶也会产生向内凹陷的变形趋势。

就面板而言，它以堆石体作为其支撑，坝基覆盖层对坝体变形的影响也必然会导致面板位移和应力的变化。从竣工期面板的变形曲线上看，由于坝顶的变形，竣工期面板顶部也有可能产生一定程度的脱空。从趾板与连接板的变形图中（图4、图5）可以看出，由于趾板直接置于覆盖层上，而覆盖层在坝体和水荷载的作用下将产生一定的变形（尤以蓄水期为甚），因此，趾板所顶托的面板也会产生相应的变形，变形的趋势主要以向下的沉降变形为主。不过，尽管如此，从面板位移和应力的数值上看，这种由覆盖层变形所引起的面板位移和应力的变化仍在工程可以接受的范围内。

由于地基覆盖层在上部坝体的作用下将产生下凹的沉降变形，而且覆盖层底部受相对不变形的基岩约束，因此，地基覆盖层将产生从坝中线分别向上、下游方向的位移，并因此导致防渗墙向上游方向的变位，这种变形趋势在竣工期最为明显。蓄水以后，防渗墙受上游水荷载的推力作用，防渗墙被推回至原位置附近。

由于防渗墙底端受基岩约束，顶端变形量最大，因此，防渗墙底部和顶部均有拉应力出现，且顶部的拉应力相对较大。在竣工期，墙体由于受到来自其下游侧的坝基砂砾石的推挤作用，导致墙体产生下游面受拉、上游面受压的受力趋势。蓄水后，防渗墙在水荷载的作用下向其原位置复位，这种受力趋势将在一定程度上得以抵消。不过，以上分析是基于防渗墙自身沿上下游方向变形得出的。应该注意的是，对于深覆盖层中的防渗墙，其周边砂砾石的沉降变形所造成的对墙体的摩擦拖曳力也是一个不可忽视的外部荷载，而且，随着墙体变位的不同，墙体所受的主、被动土压力也不同。另外，在蓄水期，墙顶还会承受较大的库水压力。因此，防渗墙的综合受力状态较为复杂，总体而言，以受压为主。

从竣工期和蓄水期防渗墙的应力分布（图7、图8）可以看出，防渗墙的顶部和底部会产生拉应力区，而且，以顶部的拉应力为大，因此在工程设计与施工中，对这些部位应予以特别重视。

图7 竣工期防渗墙中部的大、小主应力Fig.7 Maximum principal stress and minimum principal stress at the middle of diaphragm wall during completion of construction

图8 蓄水期防渗墙中部的大、小主应力Fig.8 Maximum principal stress and minimum principal stress at the middle of diaphragm wall during water storage

从图4和图5可以看出，连接板变形受坝基沉降变形的影响，竣工期，连接板与混凝土防渗墙之间一般均会产生张拉缝，但尚不会出现错动。蓄水以后，由于连接板受其下部地基砂砾石沉降变形的影响较大，因此，在连接板与防渗墙之间将会产生较大的错动变形。由此可见，连接板与防渗墙之间的差异变形主要由蓄水造成。

修建于深厚覆盖层上的面板堆石坝，其坝基防渗墙与趾板的连接是关系到工程安全的重要部分。从以往的工程设计上看，有的工程采用了连接板将防渗墙与趾板连接起来，也有工程采用趾板直接连接防渗墙。对坝基不均匀沉降的适应性而言，采用连接板方案较为有利，但由此也会增加接缝的数量，可能会造成整个连接系统可靠性的降低。因此，在实际工程中应结合工程的具体情况加以选择。不过，无论是否采用连接板，趾板与坝基防渗墙之间均应保持一个适当的距离，以尽可能协调趾板与防渗墙的相互作用关系。

从竣工期地基覆盖层的变形趋势上看，距坝中线越远的部位受坝基沉降变形的影响越小。而在水库蓄水的情况下，由于水平放置的连接板将直接承受库水压力的作用，所以，连接板（或趾板）长度越长，其受力面积越大。因此在这两方面因素的影响下，防渗墙的变形与连接板（或趾板）长度之间呈现出以下的相关关系：连接板（或趾板）长度越长，竣工期防渗墙向上游的变位越小，但在蓄水期向下游方向的变位越大；反之，连接板（或趾板）长度越短，竣工期防渗墙向上游的变位越大，但在蓄水期向下游方向的变位越小。由此可见，防渗墙的变形与连接板（或趾板）的长度密切相关，而且，针对不同工程的具体情况，应该客观存在一个对于防渗墙应力、变形状态最优的长度，这个长度可以通过多方案的计算对比分析得出。

5 结 语

对于修建在深覆盖层上的面板堆石坝，应尽可能避免采取大量开挖的处理方式。其较为合理的结构形式是采用垂直防渗处理方案，利用混凝土防渗墙作为地基防渗措施，将趾板直接置于砂砾石地基上，并用趾板或连接板将防渗墙和面板连接起来，接缝处设置止水，从而形成完整的防渗系统。在这种情况下，工程设计的关键是要保证防渗墙、连接板和趾板的变形协调和强度方面的要求。

就深覆盖层与上部坝体的相互作用关系而言，坝基覆盖层在上部坝体的作用下将产生沉降变形和沿坝中线向上、下游方向的位移，而这种变形趋势又对坝体的整体应力变形性状产生明显的影响，导致坝体最大沉降区域的下移、坝顶产生向内凹陷的变形，并有可能引起一期和二期面板顶部与坝体间产生局部脱开的趋势。不过，这种影响可以通过合理的设计将其限定在一定范围之内，从而保证工程的安全运行。

由于深覆盖层与上部坝体的相互作用，趾板与防渗墙之间连接板的长度对防渗墙的应力和位移有着明显的相关关系，连接板长度过长和过短都将对防渗墙的应力和位移产生不利影响。一般而言，针对不同工程的具体情况，应该客观存在一个对于防渗墙应力、变形状态最优的长度，这个长度可以通过多方案的计算对比分析得出。

[1]蒋国澄,傅志安，凤家骥.混凝土面板堆石坝工程[M].湖北科学技术出版社,1997.

[2]Cooke J.B.Progress in Rockfill Dams[J].Journal of Geotech-nical Engineering,ASCE,1984(110).

[3]Cooke J.B.Rockfill and Rockfill Dams[C].Proceedings of In-ternational Symposium on High Earth-rockfill Dams.Chinese Society of hrdro-electric Engineering(CSHEE),1993.

[4]G.Noguera,L.Pinilla,L.San Martin.CFRD Constructed on Deep Alluvium[M].J.Barry Cooke Volume——Concrete Face Rockfill Dams.

[5]水利水电建设总局.砂砾石坝基防渗处理技术经验总结[J].水利水电技术,1962.

[6]凤家骥.建造在覆盖层上的混凝土面板堆石坝[C].中国混凝土面板堆石坝十年学术研讨会论文集.北京：中国水力发电工程学会,1995.

[7]Anguita P.,P.Alvarez L.,Vidal L.Two Chilean CFRD's De-signed on Riverbed Alluviums[C].Proceedings of International Symposium on High Earth-Rockfill Dams.Beijing:CSHEE,1993.