防洪堤心墙大坝工程运营稳定性影响研究

陈 晶，华 中，王 鹏

(淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏 涟水 223400)

作为水利防洪堤坝中重要的组成部分，心墙坝稳定性以及防渗性均较佳，对心墙坝体开展水利设计参数优化可提升流域防洪性能，保障堤坝安全稳定运营[1-3]。物理模型试验作为一种在室内研究原尺寸水利工程的重要研究手段，施得兵等[4]、沈卫[5]、陈斌等[6]基于此在室内建立大坝、溢洪道等水利设施的模型，通过开展模型试验获得相应的运营数据及失稳破坏特征，为实际工程水利设计提供重要参考。在一些工程中通过分析心墙坝体材料力学特性，利用室内试验力学手段建立坝体材料力学本构模型与分析力学演变特征规律，为水利材料在心墙坝体中应用设计提供指导[7-9]。崔宏伟、杨倩等、张放等[10-12]认为仿真模拟计算具有高效性，可快速获得不同工况、不同设计方案下的水利工程变形场、渗流场及应力场特征，为评价设计方案最优性提供计算依据。本文对淮安地区改建防洪心墙堤坝开展弯曲段长度参数优化设计，基于变形与应力特征参数分析，进而确定心墙坝体最优设计参数。

1 工程仿真分析

1.1 工程概况

为提升淮安市防洪能力，工程设计部门考虑对流域内两岸修缮防洪大坝，降低雨季洪水威胁，提升城市排涝、防洪等能力，设计有南、北两侧干堤，其中南侧堤坝全长36km，北侧堤坝全长45.5km，堤顶设计最大高程为12.5m，迎水侧堤坝坡度为1/3，背水一侧坡度为1/4，堤顶目前已整修出宽度为7m的硬化道路。南、北两侧干堤均按照50a一遇洪水位设计，目前考虑对堤顶进行二次加高，提升防洪水位2～5m。该堤坝总共有7座水闸，其中大型水闸共有3座，水闸最宽处为15m，设置有拦污栅，降低泥沙淤积影响，在后期水利排险中对水闸进行了二次加固，设置有横、纵连系梁加固结构，其中横梁采用预应力锚索结构，张拉吨位3500kN，该水闸乃是防洪堤坝中重要迎、背水侧联通设施，其与下游引水泵站等组成水利中转枢纽工程，堤顶设置防浪墙，降低堤顶被水力冲刷影响。淮安水闸设计为多孔式结构，每孔宽度超过3m，可满足水闸流量560m3/s，承担着堤坝内、外水资源调度及城区内排涝的任务。本次防洪堤坝工程加固段长度约为4.5m，河面宽度为35.8m，过水断面积为1520～1800m2，水文监测表明河道内20a一遇洪水最大流量可为2530m3/s。堤脚已铺设混凝土排水沟与砌石挡土墙，其中沟宽为0.8m，迎水一侧设置砌石与格宾石笼，作为堤脚防冲刷保护设施，石笼坡度为1/2，宽度为1.5m，目前，堤防大坝堤顶高程为11.2m，宽度为6m，堤坡为植被护坡，水土流失较严重，岸坡内渗透坡降监测值分布在0.4～0.65，极大威胁着堤坝整体防洪安全性。

鉴于防洪大堤在区域内防洪安全的重要性，考虑对该堤坝进行重建设计，拟采用混凝土心墙堆坝作为加固设计方案，研究堤段内坝体沿轴线长度为60m，设计心墙顶、底厚度分别为0.58、1.18m，坝体堆土料采用卵石砌筑与混凝土浇筑为实体。坝体所在区段内基岩为灰岩，承载力较大，室内测试单轴抗压强度超过50MPa，上覆土层为砂土、黏土及粉土，其中心墙底部接触面为黏土质，含水量较大，对坝体心墙弯曲段边缘区域具有消蚀影响，削弱坝体防渗性，模拟计算表明心墙弯曲段在运营5a间受冲蚀后，渗透坡降可增大20%。为解决心墙坝体弯曲段冲蚀影响，对心墙弯曲段设计参数进行优化，以满足防洪堤坝整体防渗要求。

1.2 工程建模

根据工程设计部门设计方案，利用三维建模软件构建水利仿真模型，该模型包括防浪墙、心墙坝以及上下游坡面，如图1所示。

图1 堤坝水利模型

采用ABAQUS计算平台划分堤坝模型单元网格，在心墙等重点区域加密划分，提升心墙坝体研究区域的计算精度，共获得单元网格105682个，节点685628个，如图2所示。本文计算模型以坝体中轴线剖面中心为原点，坝体轴线右岸向为X正向，下游水流方向为Y正向，坝体高程向上方向为Z正向。根据河道内水位状态施加边界荷载，其中枯水期为A工况，正常期为B工况，丰水期为C工况，所加荷载具有法向约束性；其他堆料及混凝土等岩土参数均按照室内土工试验测定取值，确保计算结果与实际工况相匹配[13-14]。

图2 堤坝仿真计算模型

本文根据心墙弯曲段设计参数考虑对其弯曲段长度开展对比分析，设计5种不同设计方案，各方案中心墙弯曲段长度分别为坝体轴线长度的10%、15%、20%、25%、30%，即弯曲段长度分别为6m(1#方案)、9m(2#方案)、12m(3#方案)、15m(4#方案)、18m(5#方案)，典型设计方案如图3所示。

图3 心墙弯曲段典型设计方案

2 心墙弯曲段参数对坝体应力影响

2.1 各向最大位移

经对各弯曲长度参数设计方案进行仿真计算，获得各方案下心墙坝体各向最大位移变化特征，如图4所示。

图4 各方案下心墙坝体各向最大位移变化特征

从图4可看出，3个方向位移值以Z向最大，在1#方案弯曲段长度6m时Z向位移值为2.527m，而相同设计方案中X、Y向位移相比前者分别降低了80.6%、74.9%，表明心墙坝体设计中应重点考虑堆石坝的沉降问题。

对比弯曲长度参数对心墙各向变形影响可知，X向位移为先增后减变化，其中位移最大值乃是2#方案，达0.505m，在2#～5#方案中，最大位移逐步降低，弯曲段长度15、18m时最大位移相比2#方案下分别降低了6.3%、11.7%，表明弯曲长度对心墙X向变形具有阶段性，当长度参数未超过一定节点时，其X向位移处于递增状态，而在该节点后，位移值逐步递减，弯曲段长度每增大3m，心墙变形平均可降低4%。与之相对比，Y向位移在弯曲段长度参数为6～9m时有所降低，减少幅度约为11.1%，而在弯曲段长度9m后，Y向位移呈线性递增，其中弯曲段长度12、18m设计方案Y向最大位移相比长度9m下分别增长了10.1%、16.4%，该阶段中Y向位移具有较快的涨幅，弯曲段长度增大3m，可促使Y向最大位移提高8.6%。分析表明X、Y向位移在弯曲段长度参数为9m前后区间内具有显著逆转变化，长度超过9m后，心墙X向最大位移为递减，但Y向最大位移为递增，在长度9m以下时，态势为相反。笔者认为，对心墙来说，顺河道水流方向(Y向)不应过大，避免造成心墙坝体发生顺河向滑移，而坝体横向方向可保持在较合适的变形区间，降低水流对坝体的冲击动力特性影响。

从Z向位移受弯曲段长度参数影响关系可知，在弯曲段长度参数9m后，具有较大沉降变形，5个设计方案中以弯曲段长度9m下为最低，达2.336m；表明心墙弯曲段愈长，可提高心墙坝体向下沉降变形。综合分析心墙各向最大位移认为，心墙坝体弯曲段长度9m时更有利于坝体安全稳定。

2.2 位移分布特征

为分析心墙坝体位移分布特征，各设计方案中坝体位移分布特征基本相近，仅量值上有所差异，因而本文以弯曲段长度9m时开展分析，如图5所示。

从图5中可看出，X向位移呈坝体中部向左、右坝肩扩散，笔者认为X向位移的扩散性变化与心墙在横河向上的移动有关，由于心墙体自身重力影响，导致两侧位移与中部区域具有显著差异，最大位移出现在心墙坝体左侧处，达0.505m。Y向位移自坝底至坝顶，呈先增后减变化，在坝体中部具有最大位移，为0.564m，坝体Y向位移变化与刚体材料在弯曲荷载作用下产生截面“下拉上压“的特征，因而位移在剖面上具有阶段性。Z向沉降以坝体中部为最大，为2.336m，而在坝基处具有向上的变形，此与堆石体在水上扬压力影响，呈现上浮变形的特征，另在迎水侧与背水侧中，受上浮力影响心墙沉降，造成坝体两侧呈现差异性沉降，而以背水侧沉降值更大[15-16]。

图5 坝体位移分布特征(弯曲段长度9m)

3 心墙弯曲段参数对坝体变形影响

3.1 各向最大应力

对不同弯曲段长度设计方案进行计算，可获得弯曲段长度参数影响下拉、压应力特征，如图6所示。

图6 弯曲段长度参数影响下拉、压应力特征

从图6中可看出，3个方向中仅有X、Y向存在受拉，Z向上心墙坝体均为受压状态，且X、Y两方向上拉应力在各设计方案中均保持一致，其均随弯曲段长度为递减变化，在弯曲段长度6m时，X向最大拉应力为0.4MPa，而在长度9、15、18m时，最大拉应力相比前者分别降低了25%、57.5%、57.5%，拉应力在弯曲段长度15m后基本保持稳定，不发生较大波动，在弯曲段长度15m前，长度增长3m，平均可导致心墙拉应力损失24.4%，分析表明弯曲长度参数在心墙坝体X、Y向拉应力中无差异性影响，均保持对心墙拉应力的抑制效应。

从图6(b)可知，3个方向中压应力以Z向上为最大，在相同弯曲段长度12m设计方案中，Z向最大压应力为16.9MPa，而与之同时X、Y向最大压应力相比前者分别降低了14.6%、19.2%，分析出现这种现象与心墙坝体自重应力分布有关，在Z向上具有较广泛的自重应力分布，最大压应力受堆石料及混凝土心墙坝体自重影响，因而压应力相比其他两方向上的较高。从3个方向上最大压应力与弯曲段长度参数变化关系可知，3个方向最大压应力均呈一致性变化，即先增后减两阶段特征，以心墙弯曲段长度9m为节点，在该节点左区间内，3个方向上最大压应力均保持递增态势，在Z向弯曲段长度6m时最大压应力为15.8MPa，而Z向上长度9m最大压应力相比长度6m时要提高了31.7%，而在X、Y向中2个设计方案的最大压应力涨幅分别为23.2%、15.6%，即弯曲段长度参数促进压应力增长阶段以Z向最为显著。在弯曲段长度9m后，3个方向的压应力均呈下降态势，其中X向弯曲段长度12、18m最大压应力相比长度9m时减少了19.3%、30.6%，在该阶段中随弯曲段长度增长3m，X、Y、Z向最大压应力分别降低了11.3%、10.8%、11.2%。综合拉、压应力受弯曲段长度参数影响，分析认为以弯曲段长度9m时更有利于心墙坝体结构安全稳定，预压效果显著。

3.2 应力分布特征

根据各设计方案中典型应力分布特征，给出弯曲段长度9m时心墙坝体应力分布特征，如图7所示。

图7 心墙坝体应力分布特征(弯曲段长度9m)

从图7可知，X向中仅在两侧坝肩存在有拉应力，而坝体大部分区域均为压应力分布，且从坝顶至坝基压应力递增，最大压应力达17.9MPa。同样在Y向应力分布图中，自坝顶至坝基为递增，且各区间应力为分层分布，笔者认为此与迎水侧水压力作用在坝体上，进而引起不同高程处压应力分布差异，最大压应力仍位于心墙底部，为16.79MPa，而最大拉应力位于背水侧，受迎水侧水压力及堆石料土压力弯曲影响，在坝体两侧坝肩存在有拉应力分布，最大拉应力为0.3MPa。Z向中无张拉应力分布，坝体上均为受压，在坝体及混凝土心墙自重应力影响下，从坝顶至坝基，压应力递增，最大压应力为20.81MPa；而在迎水侧受上浮水压力对自重应力的平衡影响，其压应力分布低于背水侧。

4 结论

(1)心墙Z向位移值最大；X、Y向位移在弯曲段长度参数为9m前后分别为递减、递增，而在9m以下时态势相反。

(2)X、Y、Z向位移自坝底至坝顶，呈先增后减变化，受上浮水压力影响，坝体迎水侧Z向沉降低于背水侧；从坝顶至坝基X、Y向压应力递增，且Z向均为受压。

(3)X、Y两向上拉应力相等，长度增长3m，最大拉应力损失24.4%；压应力以Z向最大；最大压应力以弯曲段长度9m为节点，超过该节点后，长度增长3m，X、Y、Z向最大压应力分别降低了11.3%、10.8%、11.2%。

(4)认为弯曲段长度9m时更有利于坝体安全稳定。