深厚覆盖层土石围堰防渗墙结构设计研究

张　飞，卢晓春，陈博夫，陈　波

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院 夹岩设计处，贵阳　550002；2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌　443002)



深厚覆盖层土石围堰防渗墙结构设计研究

张飞1，卢晓春2，陈博夫2，陈波2

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院 夹岩设计处，贵阳550002；2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌443002)

摘要：防渗墙良好的工作性态是深厚覆盖层土石围堰正常运行的重要保障，为弄清不同材料、不同设置位置、不同结构型式防渗墙在深厚覆盖层条件下的工作性态，给在该种环境下防渗墙的结构设计提供参考，以某实际工程为研究背景，采用有限单元法，借助ABAQUS大型商用有限元计算软件，对该工程防渗墙的各种方案进行结构计算，得出了不同方案条件下防渗墙的应力、位移变形等规律。根据计算得出的规律从定性与定量2个方面对该工程防渗墙的设计方案进行了优化选择，研究表明：采用塑性混凝土防渗墙优于刚性混凝土防渗墙，前者与围堰的变形更协调，更有利于围堰的安全；防渗墙的设置位置对围堰自身的应力、位移变形影响较大，防渗墙设置离上游堰脚1/3堰底宽度的地方优于将防渗墙设置在堰轴线的地方；当一道防渗墙不能满足设计要求，可以考虑采用双防渗墙的结构型式，这种结构型式能大幅度提高围堰的安全裕度。

关键词：深厚覆盖层；土石围堰；防渗墙；结构设计；有限元计算

围堰是水利工程中重要的临时挡水建筑物，其自身安全关系到整个施工导流工程乃至主体工程的安全，并且涉及到下游的安全问题[1]。西部水电枢纽工程围堰通常建设在河床的深厚覆盖层上，在深厚覆盖层上修建土石围堰，防渗体系的安全性决定了围堰体的整体安全。据国内外不完全统计，建于覆盖层的建筑物尤其是水工建筑物，发生事故主要是由于基础渗透破坏、沉陷太大或滑动等因素导致的[2]，因此有必要采用数值模拟计算分析深厚覆盖层不同防渗体系下防渗体的工作性态。本文以某水电站上游土石围堰为研究背景，对深厚覆盖层土石围堰防渗墙的材料、放置位置及结构型式进行优化研究，为类似工程防渗体系的选择提供参考。

1工程概况及计算模型

1.1工程概况

某水电站上游土石围堰堰顶高程为875.5 m，顶宽10 m，设计挡水位为874.3 m。围堰最大高度70 m，河床覆盖层平均厚度达75 m，覆盖层从下而上大致划分为3层，依次为覆盖层Ⅰ(砂卵石夹碎石块)，该层一般厚4.44～13.84 m，最厚16.44 m；覆盖层Ⅱ(砂卵石夹土，层中夹少量碎石)，该层一般厚11.23～36.80 m，最薄处仅有2.25 m，最厚处达58.01 m；覆盖层Ⅲ(砂卵石夹少量块石)，该层一般厚23.81～35.89 m，最薄11.15 m，最厚处可达52.60 m。高程833.3 m以上的堰体为干地碾压填筑而成，围堰迎水面坡比1∶2.0，背水面坡比1∶1.75，高程833 m以下的堰体为水下填筑，迎水面和背水面的坡比都为1∶1.5。该围堰采用的是塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜防渗斜体的防渗结构形式。

1.2计算模型及参数

该土石围堰工程计算模型如图1。

计算模型参数来自参考文献原始资料，材料参数见表1至表3。

2防渗墙材料选择的研究与分析

用该土石围堰模型作为计算模型，对深厚覆盖层土石围堰防渗墙材料进行优化研究。防渗墙材料一般有刚性混凝土与塑性混凝土2种，塑性混凝土是在刚性混凝土的基础上而发展起来的，它是由砂子、水、水泥、膨润土和黏土等组成。下面通过不同的计算方案对不同材料防渗墙进行计算分析，总结其应力变形规律，为深厚覆盖层土石围堰防渗墙材料的选择提供参考。

图1　塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜围堰断面图

材料knFGDφ/(°)c/kPaRf密度/(103kg·m-3)石渣混合料11000.580.340.290.2340.00.81.98砂砾石料15000.350.200.360.1240.00.81.98混合石渣料10000.380.340.290.2239.00.81.98截流戗堤10000.380.150.350.2838.50.752.10塑性混凝土166280.240.020.340.3039.012000.632.10覆盖层Ⅰ13000.320.250.415.9540.0300.872.05覆盖层Ⅱ13000.310.170.484.8140.0300.762.00覆盖层Ⅲ13000.290.260.395.9740.0300.751.93

表2　堰基线弹性模型计算参数Table 2　Calculation parameters of linear elastic model of cofferdam foundation

表3　摩擦模型计算参数Table 3　Calculation parameters of friction model

2.1计算方案

为了便于对比分析，防渗墙的混凝土材料分别选用2种刚性混凝土和2种塑性混凝土。计算中各材料参数的取值见表4。防渗墙混凝土及覆盖层地基采用线弹性本构模型，土石坝坝体材料采用邓肯-张E-μ本构模型，参数见表1至表3。计算工况：围堰上游水位蓄至874.0 m，下游抽水至基坑底部(水位723.0 m)，基坑开挖完成。

表4　防渗墙材料方案计算参数Table 4　Calculation parameters of cutoff wall material solution

2.2结果分析

方案1至方案4防渗墙应力位移的最值见表5。由于防渗墙的水平位移取决于墙后主体的支撑条件及墙顶的所受的荷载情况，且墙底部嵌入基岩中，不同材料防渗墙水平、竖向位移分布见图2，从图2(a)可以看出，各种方案中防渗墙的水平位移变化不大，方案3的水平位移值最大，但也才11.90 cm。从图2(b)可以看出各种方案防渗墙竖向位移最大值都发生在墙顶，根据图2(b)曲线切线斜率可得出当防渗墙的弹性模量<1 000 MPa 时，竖直方向的最大位移随着防渗墙材料弹性模量的增加而迅速降低，然而当弹性模量>1 000 MPa 时，竖直方向最大位移随着防渗墙材料弹性模量的增加而缓慢降低。

表5　各方案防渗墙应力位移最值Table 5　Extreme values of stress and displacement for cutoff wall in different schemes

图2　不同材料防渗墙水平、竖向位移分布 Fig.2　Horizontal and vertical displacements of cutoff wall of different materials

图3　不同材料防渗墙第一、第三主应力分布

图4　塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜防渗心墙围堰断面图

不同材料防渗墙第一、 第三主应力分布见图3， 从图3(a)可以看出， 防渗墙的最大主应力随着弹性模量的降低而降低， 由方案1的6.13 MPa降到方案4的2.52 MPa； 根据最大主应力曲线可得到， 当防渗墙材料的弹性模量<1 000 MPa 时， 最大主应力随着弹性模量的降低而迅速减小， 当防渗墙材料弹性模量>1 000 MPa 时， 最大主应力变化比较缓慢。 从图3(b)可以看出各种方案防渗墙最小主应力均为较小的拉应力， 都在底部出现较大的变化。 方案1最小主应力为-0.62 MPa， 接近混凝土的抗拉强度，从曲线图可以看出， 随着防渗墙弹性模量的降低， 防渗墙的最小主应力的拉应力值逐渐减小， 防渗墙有可能由拉应力变为压应力(方案4)。

3防渗墙设置位置及型式选择的研究与分析

防渗墙布置位置的合理性以及结构型式会直接影响到整个工程的防渗效果、施工成本和施工进度等方面。围堰堰体中的防渗墙一般布置在堰轴线附近，对于采用塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜的土石围堰，防渗墙轴线一般布置在距上游堰脚1/2～1/3堰底宽度处。对于承受高水头的土石围堰，当一道防渗墙不能满足防渗要求可以考虑采用双道防渗墙，例如三峡工程二期围堰。本文借助该围堰工程对深厚覆盖层土石围堰防渗墙的放置位置及型式进行结构设计研究，为今后深厚覆盖层土石围堰防渗体系的选择提供参考。

3.1计算方案

具体方案说明见表6，方案A即乌东德防渗体系与方案B对比能反映深厚覆盖层土石围堰防渗墙的设置位置对其自身应力、位移水平的影响；方案B与方案C对比能反映防渗墙的结构型式对自身应力、位移水平的影响。本工程各方案的计算断面图见图1、图4、图5。各种方案均采用同一种工况即：围堰上游水位蓄至874.0 m，下游抽水至基坑底部(水位723.0 m)，基坑开挖完成。

表6　计算方案说明Table 6　Description of calculation schemes

图5　双排塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜围堰断面图

采用非线性有限元法计算分析土石围堰不同的防渗体系下塑性混凝土墙的应力变形特性，本文对基岩采用的是线弹性模型；围堰与防渗墙之间的接触设置接触单元，接触面采用Goodman无厚度单元模拟；对围堰堰体的填筑材料、防渗墙以及覆盖层采均用邓肯-张E-μ模型。

方案A、方案B防渗墙深101 m，厚1 m；方案C上下游防渗墙深均为101 m，厚1 m，相隔距离6 m。防渗墙墙底嵌入基岩均为0.5 m，各方案的其他计算参数见表1至表3。

3.2防渗墙应力变形计算结果及其分析比较

3种不同方案防渗墙应力、变形的最值见表7，分布图如图6和图7所示。

表7　不同方案防渗墙应力变形计算成果Table 7　Calculation results of stress and deformation of cutoff wall in different schemes

注：方案C选取上游防渗墙计算。

图6　不同体系防渗墙水平、竖向位移分布

由图6可知，在水荷载的作用下防渗墙的水平位移方向指向河流下游方向，方案A的水平位移最大，达到10.26 cm，出现最大位移的高程在785 m，方案B与C最大水平位移出现在墙顶，最大位移几乎只有方案A的50%。考虑施工荷载与围堰自重的影响，3种方案的竖向位移最大值都发生在防渗墙的墙顶处，且随着高程上升，竖向位移逐渐变大，方案A的竖向位移最小，方案C的竖向位移次之，方案B的竖向位移最大，这与3种方案防渗墙放置的位置与型式相符。方案A与方案B相比说明防渗墙在一定范围内离堰轴线越远竖向位移越小；方案B与方案C相比说明在相同位置双墙的竖向位移要小于单墙的竖向位移。

图7　不同体系防渗墙第一、第三主应力分布

由图7可知，方案A的第一主应力最大值为2.82 MPa，第三主应力的最大值为0.81 MPa，最值发生在防渗墙的底部。与方案A相比，方案B与C的第一主应力的最大值分别为3.84 MPa和3.51 MPa，第三主应力最大值分别为1.58MPa和1.13 MPa。相对方案B与C，方案A的应力水平最小，防渗墙的安全裕度最大。由于塑性混凝土具有与土料相似的应力应变的关系和破坏形式[4]，所以围堰体填筑料的变形与塑性混凝土防渗墙的应力变形相一致。通过对计算结果的分析可知，3种方案的应力水平均具有一定的安全裕度。

综上所述，混凝土防渗墙的弹性模量越低，防渗墙与周围堰体的变形越协调，墙体的应力状态越好；尽管刚性混凝土墙的混凝土标高达几十MPa，但刚性墙的变形不能与周围土层的变形相协调[5]；因此，在满足应力状态的条件下选择弹性模量较低的塑性混凝土防渗墙，更有利于深厚覆盖层土石围堰防渗墙的安全。

防渗墙的位置对其位移影响主要表现在当防渗墙越靠近围堰堰脚时，其水平位移越大，竖向位移越小，最大主应力与最小主应力也越小；反之，当防渗墙越靠近堰轴线时，其水平位移越小，竖向位移越大，最大主应力与最小主应力也越大。单防渗墙与双防渗墙相比，双防渗墙承受的应力、位移变形均较小，具有更充足的安全裕度。

4结论

借用该工程本文从定量与定性2个方面，对深厚覆盖层土石围堰堰基防渗墙的材料、设置位置及结构型式进行计算研究分析，得出如下结论：

(1) 对于围堰这种临时性构筑物，从应力变形角度分析，采用塑性混凝土防渗墙优于刚性混凝土防渗墙，在强度安全前提下，前者与围堰的变形更协调，更有利于围堰的安全。

(2) 防渗墙的设置位置对其自身的应力、位移变形影响较大。防渗墙设置离上游堰脚1/3堰底宽度的地方优于将防渗墙设置在堰轴线的地方，前者竖向变形及应力均小于后者。

(3) 当一道防渗墙不能满足设计要求，可以考虑采用双防渗墙的结构型式，这种结构型式能大幅度提高围堰的安全裕度。

参考文献：[1]郑守仁,王世华,夏仲平,等.导流截流及围堰工程(下册)[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[2]毛昶熙,段祥宝,李祖贻.渗流数值计算与程序应用[M].南京:河海大学出版社,1999.

[3]李峰,田斌,卢晓春,等.深水高土石围堰塑性混凝土防渗墙应力应变分析[J].中国农村水利水电,2012,(6):142-125.

[4]王清又,孙万功,熊欢.塑性混凝土防渗墙[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[5]萧燕子.基于二次开发的土石坝数值仿真分析及防渗墙优化研究[D].天津:天津大学,2010.

(编辑：曾小汉)

收稿日期：2015-01-13；修回日期：2015-03-18

基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目(Q20131306)

作者简介：张飞(1988-)，男，湖北汉川人，助理工程师，硕士，主要从事施工组织设计研究工作，(电话)0851-85584393 (电子信箱)348835039@qq.com。 通讯作者：卢晓春(1983-)，男，湖北黄冈人，副教授，博士，主要从事水工结构数值仿真方面的研究工作，(电话)13986791594 (电子信箱)luxiaochun1014@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150048

中图分类号：TV640.31

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)04-0120-05

Design on Structure of Cutoff Wall in DeepOverburden Earth-rock Cofferdam

ZHANG Fei1, LU Xiao-chun2, CHEN Bo-fu2, CHEN Bo2

(1.Design Department for Jiayan Project, Guizhou Investigation & Research Institute of Hydraulic and Hydroelectric Engineering, Guiyang550002, China; 2.College of Water Resources and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang443002, China)

Abstract:The good working state of cutoff wall is an important guarantee of the normal operation of earth-rock cofferdam on deep overburden. To understand the working state of cut-off wall on deep overburden in the presence of different materials, different setting positions, and different structural types, and to provide a reference for the structural design of cut-off wall, we conducted finite element calculation for the cut-off wall of an engineering project using ABAQUS software, and obtained the regularities of cutoff wall’s stress, displacement and deformation under different conditions. According to the obtained regularities, we proposed optimized design for the cut-off wall from qualitative and quantitative perspectives. Results reveal that plastic concrete cutoff wall is better than rigid concrete cut-off wall because the deformation of the former is more coordinated with cofferdam, which is conducive to the safety of the cofferdam. The position of cut-off wall has big impact on its own stress, displacement and deformation. Setting the cut-off wall 1/3 of weir bottom width away from the upstream weir feet is better than setting it at the local weir axis. When one single cut-off wall cannot meet the design requirements, we can consider using double cutoff walls, which could greatly increase the cofferdam’s safety margin.

Key words:deep overburden; earth-rock cofferdam; cut-off wall; structural design; finite element analysis

2016,33(04):120-124