高土石坝廊道与防渗墙定向支座连接型式研究

徐 晗，饶锡保，陈 云，杨昕光，潘家军

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉430010）

深厚覆盖层上高土石坝的防渗体系需要在覆盖层中设置混凝土防渗墙，在复杂的河谷地形及上部坝体自重与水压力的作用下，混凝土廊道与防渗墙的受力性状十分复杂，合理的接头型式设计对确保防渗体系的安全至关重要。

为确保工程安全与防渗效果，廊道与防渗墙之间一般采用刚接型式［1-3］，这样坝体自重通过混凝土廊道传递到防渗墙上，且防渗墙周边覆盖层的沉降摩擦作用引起防渗墙出现一定的竖向应力，这两种作用合成后，常使混凝土防渗墙的计算压应力超过混凝土的极限抗压强度。可在防渗墙顶部与混凝土廊道之间预留一定空隙［4］，但由于混凝土底座体积大、适应变形的能力差，这种接头的止水构造又十分复杂，止水易破坏且不易修补，因此预留空隙的接头型式防渗可靠性较差。

综上所述，无论是刚接还是预留空隙的接头型式均无法适应深厚覆盖层上高土石坝变形控制和防渗结构安全的需要，应进一步研究混凝土廊道与防渗墙新型连接型式，以确保防渗结构的安全。

1 定向支座连接型式

对于深厚覆盖层来说，覆盖层在坝体自重作用下压缩较大，而防渗墙刚度较大、自身压缩量较小，因此防渗墙与覆盖层之间存在较大的沉降差［5］，为了避免防渗墙向上顶压破坏廊道及防渗墙自身压应力过大，本文提出防渗墙与廊道采用定向支座连接的型式。这种连接型式在坝体竣工前可使防渗墙能自由伸入廊道，由于防渗墙能自由上下移动，避免了廊道将其上部的巨大坝体自重传递到防渗墙上，因此不会引起较大的轴向拉、压应力。其计算力学模型可采用图1所示的定向支座型式［6］，也可在适当时机将廊道与防渗墙顶端嵌固起来。本文假定定向支座方案在滑动过程中和嵌固后都能够保证防渗体系的防渗作用有效，只研究其应力变形特性。

图1 防渗墙与廊道相互作用的定向支座力学模型

2 计算模型与计算条件

设定心墙坝坝高112 m，覆盖层深60 m，其中有10 m厚的软弱黏土夹层，正常蓄水位在坝高110 m处，防渗墙深入基岩内1 m。由于混凝土与筑坝材料之间的材料性质相差较大，两者之间存在一定程度的相对滑移，因此在混凝土防渗墙与覆盖层、混凝土廊道与筑坝材料之间均设置了接触面单元，采用Coulomb摩擦定律计算极限剪应力，只需要用界面摩擦系数来表征接触表面的摩擦行为。根据三峡二期围堰的工程经验，混凝土防渗墙与覆盖层之间普遍存在2～3 cm厚的泥皮［7］，因而其摩擦系数取0．2，混凝土廊道与筑坝材料之间摩擦系数取0．6。

对完建期和蓄水期大坝的应力与变形特征进行分析，完建期和蓄水期对应的工况分别为：①完建期，大坝上下游无水荷载，分级模拟大坝施工过程，大坝从建基面最低高程均匀填筑到设计坝高；②蓄水期，大坝填筑完成后，分级模拟大坝上游蓄水至正常水位。

计算中各坝料采用邓肯E-B本构模型，混凝土采用线弹性本构模型。

3 防渗墙应力变形分析

设置的计算方案见表1，混凝土廊道与防渗墙之间的连接型式分别为刚接与定向支座（见图2）。

表1 计算方案

图2 混凝土廊道与防渗墙接头型式

表2为防渗墙应力变形极值统计，其中应力符号以受压为负、受拉为正、沉降以竖直向下为正、向上为负，水平位移以向下游为正、向上游为负。防渗墙中轴线竖向应力曲线见图3。

表2 防渗墙应力变形极值统计

（1）刚接方案时完建期防渗墙最大压应力为-43．4 MPa，超过 C35混凝土的极限抗压强度（-40 MPa），沉降最大值为6．1 cm。定向支座方案完建期防渗墙最大压应力为-21．8 MPa，小于混凝土的极限抗压强度，沉降最大值为2．0 cm。

（2）蓄水期在上游坝体的浮力作用下防渗墙应力有所减小，同时位移增大，此时刚接方案压应力最大值为-24．1 MPa，定向支座方案防渗墙有较大的拉应力，这是水压力作用下偏心扭转导致的，定向支座方案防渗墙最大拉应力为5．7 MPa。由图3防渗墙中轴线竖向应力沿高程分布曲线可知，定向支座方案防渗墙基本为全断面受拉状态。

可见，定向支座型式的主要优点是在完建期允许防渗墙能自由伸入廊道，与防渗墙顶端刚接廊道的传统结构型式相比，能充分减小上部坝体的巨大自重经过廊道传递给防渗墙的压应力，但缺点非常明显，即蓄水期有较大的拉应力。

一般来说，防渗墙在蓄水期有两种受力性能：①主要荷载为墙体承受上部心墙坝土体传来的巨大荷重及静水压力，主要受力性能为偏心受压［8］，防渗墙承受很大的压应力；②施工围堰等工程的防渗墙上部土体压重不占主要地位，而静水压力起主要作用，主要受力性能是弯曲作用。在水压力作用下防渗墙弯曲会产生较大的拉应力，而蓄水前轴向压应力与水压力作用引起的拉应力合成后可相互抵消，当轴向压应力足够大时，可确保在蓄水后防渗墙仍为偏心受压构件，从而不引起过大的防渗墙拉应力。

图3 防渗墙中轴线竖向应力（MPa）

综上所述，防渗墙与覆盖层之间存在较大的沉降差，为了避免防渗墙向上顶压破坏廊道及防渗墙自身压应力过大，要慎重采用刚接方式。但正如前所述，防渗墙顶端蓄水前受到一定的压应力是有益的，因而在坝体填筑完成后将接头嵌固不合适。

4 定向支座接头嵌固时机对防渗墙应力变形的影响

上述计算表明，若廊道与防渗墙接头采用定向支座型式，坝体填筑完成后将廊道与防渗墙顶端嵌固起来，此时虽然完建期防渗墙的压应力减小较多，但是在蓄水期防渗墙拉应力较大，几乎全断面受拉，不满足设计要求。因此，设置了接头嵌固时机方案，当坝体填筑到设计坝高的1／2左右（此时坝高56 m）时将廊道与防渗墙顶端嵌固起来，称为方案3。重点比较了方案3与方案2的防渗墙应力状态。方案2与方案3应力、变形计算结果对比见表3。

表3 接头嵌固时机对防渗墙应力、变形的影响

不同嵌固时机防渗墙中轴线竖向应力曲线见图4。

图4 不同嵌固时机防渗墙中轴线竖向应力

由表3可知，方案3无论在完建期还是蓄水期防渗墙始终为受压状态，完建期其压应力最大值为-34．2 MPa，小于刚接方案的（-43．4 MPa），蓄水期无拉应力产生，最大压应力为-14．5 MPa，应力状态较为合理。

对于建在深厚覆盖层上的高土石坝来说，通过适当调整廊道与防渗墙顶端的嵌固时机，可以人工控制防渗墙受到的拉、压应力。根据方案3计算结果，当坝体填筑到设计坝高的1／2左右时可将廊道与防渗墙顶端嵌固起来，使防渗墙顶端受到一定的压应力，从而在蓄水期水压力作用下使防渗墙全断面仍处于受压状态。

5 结 论

（1）定向支座连接型式的主要优点是允许防渗墙能自由伸入廊道，与防渗墙顶端刚接廊道的传统结构型式相比，能充分减小上部坝体的巨大自重经过廊道传递给防渗墙的压应力。

（2）防渗墙顶端蓄水前受到一定的压应力是有益的，在水压力作用下防渗墙弯曲变形会产生较大的拉应力，而蓄水前的轴向压应力足够大时，可确保在蓄水后防渗墙仍为偏心受压构件。定向支座型式与刚接型式相比，虽然完建期防渗墙压应力大幅减小，但是蓄水期防渗墙拉应力大幅增大。

（3）防渗墙与覆盖层之间存在较大的沉降差，为了避免完建期防渗墙出现极高的压应力，要慎重采用混凝土廊道与防渗墙刚接型式；对于定向支座接头型式，不能采用坝体填筑完再将防渗墙与廊道接头嵌固的方式，避免防渗墙在蓄水期产生较大的拉应力。

（4）采用定向支座接头型式，通过适当调整廊道与防渗墙顶端的嵌固时机，可以人工控制防渗墙受到的拉、压应力。在本次计算参数取值条件下，当坝体填筑到设计高程的1／2左右时将廊道与防渗墙顶端嵌固起来，可使防渗墙顶端受到小于混凝土极限抗压强度的压应力，同时在蓄水期水压力作用下使防渗墙全断面仍处于受压状态。