堆石坝悬挂式防渗墙应力变形分析

李响

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110003）

1 工程背景

赵家堡子水电站位于辽宁丹东凤城爱河干流上，为当地规划建设的重要水电工程，工程建成之后对缓解当地电力供应紧张，优化能源结构，保护生态环境具有重要作用。该水电站为径流式水电站，设置4台4 200 kW的贯流式水力发电机组，总装机容量为16 800 kW。水电工程设计库容为1 550万m3，设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为千年一遇。水电站设计坝高56.0 m，坝顶宽10.0 m，上游坝坡的坡比为1∶1.4，镶嵌混凝土面板的长度为126.77 m，顶部厚度为0.4 m，底部厚度为0.7 m，面板为C30混凝土浇筑[1]。赵家堡子水电站位于爱河的河谷地带，大坝位于覆盖层厚度达135 m 的深厚覆盖层上。鉴于覆盖层厚度较大，如果采用全封闭防渗墙，不仅工程投资将明显增大，也会面临较大的施工困难，因此采用悬挂式防渗墙设计[2]，防渗墙采用C30混凝土浇筑，厚1.0 m、深82.0 m。显然，悬挂式防渗墙并没有深入到坝基的基岩内部，因此，在大坝建设和运行期间会受到比较复杂的应力影响[3]。为了保证大坝建设运行期间的安全稳定，特别是防渗墙防渗性能的有效发挥，有必要对其应力变形进行深入研究和分析，为大坝的建设和运行管理提供必要的建议。

2 有限元计算模型

2.1 计算模型的构建

赵家堡子水电站坝基部位复杂的地质环境，不仅给大坝建设造成明显的不利影响，也给大坝的受力分析造成一定的困难。从前期的地质调查结果来看，大坝坝基部位的覆盖层主要包括7 个层次结构。同时，由于大坝左岸和右岸高程相差较大，且坝基覆盖层的厚度和结构也存在比较明显的差异。因此，在研究分析过程中，分别选择位于大坝左岸和右岸的0+086 m 和0+154 m 断面进行建模分析。为了进一步简化运算过程，提高模型计算的效率，建模过程中在不影响计算结果的科学性和准确性基础上，对大坝的坝体和覆盖型结构进行必要的简化。主要考虑大坝基岩、防渗墙、大坝坝壳分区、压重平台以及大坝上下游马道，而其余的细微结构对计算结果影响极为有限，在建模过程中不予考虑[4]。

确定合理的计算区域对提高计算结果的精度同时保证计算效率具有重要意义。研究中结合该领域的研究成果和经验，确定计算模型的上下游边界分别向大坝的上游和下游方向延伸2 倍坝高和1 倍坝高。鉴于大坝的坝基部位具有厚度较大的覆盖层，为了保证模型计算结果的有效性和准确性，模型下部边界为基岩上表面向下延伸1 倍坝高[5]。几何模型沿坝轴线指向左岸的方向为Y轴正方向，以垂直于Y轴指向下游的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴的正方向。由于坝基覆盖层分层较多且对防渗墙的工作状态，特别是受力情况存在不同的影响，因此按照覆盖层的主要结构，对坝基部位沿高度方向进行5 层网格剖分，为了模拟防渗墙和周围岩土体的相互作用，在接触面上设置无厚度网格单元。鉴于混凝土防渗墙和周围的岩土体具有相似的属性，因此采用摩尔-库伦模型进行模拟[6]。对构建的几何模型进行四边形网格单元划分，其中，0+086 m 断面和0+154 m 断面分别划分为34 687 和32 366 个计算单元，如图1 所示。

图1 有限元模型示意图

2.2 计算参数

要取得准确的计算结果，必须要依靠合理的模型材料物理力学参数。研究中，结合试验数据以及相关的工程经验，确定模型材料物理力学参数，见表1。

表1 模型材料物理力学参数

2.3 计算荷载

结合计算的目的和要求以及赵家堡子水电站大坝的实际情况，计算过程中考虑的主要荷载：一是大坝的坝体和坝基的自重；二是大坝坝体上下游的水压力；三是大坝坝基的渗透压力[7]。由于赵家堡子水电站为面板堆石坝设计，且混凝土面板下还设有复合土工膜，坝体内部的堆石体并不会受到明显的渗流影响。综上，电站在运行过程中的库水位升降变化不会对坝体内部的浸润线分布造成显著影响，可不考虑库水位升降变化。

3 计算结果与分析

3.1 防渗墙变形特征分析

利用构建的模型，对赵家堡子水电站蓄水运行期间防渗墙两个典型断面的水平和沉降位移进行计算，结果如图2 所示。由图2 可以看出，大坝受到上游库水位压力的作用，悬挂式防渗墙受到上游库水荷载的作用，呈现出整体向下游变形的特点。从两个典型断面的对比来看，0+086 m 断面的整体位移变形相对较大，0+154 m 断面的整体变形相对较小，最大水平位移量为356 mm。由于悬挂式防渗墙顶部仅40 m，水头造成的库水压力几乎完全由防渗墙承担，同时防渗墙的底部没有深入基岩，底部的支撑作用较弱，在运行之后会产生一定的沉降变形，最大沉降变形量约为84 mm。从位移变形的纵向分布规律来看，墙体顶部的水平位移量较大，随着深度的逐步增加，墙体的水平位移量逐渐减小。

3.2 墙体受力特征分析

利用构建的模型，对赵家堡子水电站蓄水运行期间防渗墙两个典型断面的应力进行计算，结果如表2 所示。由表2 计算结果可知，在赵家堡子水电站蓄水运行之后，由于受到库水压力的作用，防渗墙应力有明显的增加，相对而言，0+086 m 断面的应力值相对较大，0+154 m 断面的应力值相对较小，最大主应力值为9.89 MPa，出现在0+086 m 断面345.00 m 高程附近。这一数值远小于C30混凝土的强度设计值，因此不会产生破坏。此外，0+086 m 断面在蓄水后全部表现为压应力状态，顶部的应力值相对较小，深部的应力值相对较大，而0+154 m 断面的顶部存在一个最大应力为1.21 MPa 的受拉区域，主要位于385.00 m 高程部位。由于最大拉应力值较大，该部位有受拉破坏的风险。因此，在大坝建成运行期间，需要重点关注该部位防渗墙的安全性，一旦发现墙体存在裂缝应及时采取补救措施。

图2 位移分布计算结果

表2 墙体应力计算结果MPa

4 结论

防渗墙是大坝防渗的重要部分，对保证大坝的安全、稳定运行具有重要意义。此次研究以辽宁省赵家堡子水电站为例，利用数值模拟研究的方法，探讨和分析了大坝坝基悬挂式防渗墙在大坝运行期的力学位移特征：从位移变形来看，防渗墙的变形量不大，不会对其安全运行造成显著影响。从应力分布来看，运行期防渗墙的压应力有明显的增加，但不会超过C30 混凝土的强度设计值，因此不会发生受压破坏，防渗墙总体安全、可靠。但是，在大坝运行期间，防渗墙的顶部部分区域存在受拉区域，且拉应力值较大，存在受拉破坏的风险，需要重点关注防渗墙的受拉区域等脆弱部位，一旦发现墙体破坏需要及时采取工程补救措施。