深覆盖层上加高混凝土面板堆石坝应力变形特性研究

赵生华

(金昌市水务投资有限责任公司，甘肃 金昌 737100)

1 引言

在我国的西南、西北地区，坝基为深厚冲积覆盖层的情况非常普遍。近些年来，随着土石坝筑坝技术的发展，在深厚覆盖层上修建混凝土面板堆石坝的技术得到了普遍应用。对坝基为深厚覆盖层上的混凝土面板堆石坝，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[1]。所谓垂直防渗方案是指利用混凝土防渗墙处理地基渗流，将趾板直接置于覆盖层地基上，并用趾板或连接板将防渗墙与面板连接起来，接缝处设置止水，从而形成完整的防渗系统。

目前，国内修建的趾板置于深覆盖层上的混凝土面板堆石坝工程，大部分都是一次建成，较少见到在这种地形条件下进行大坝加高工程的实例。对于趾板置于深覆盖层上的混凝土面板堆石坝加高工程，二期加高后坝体及防渗结构的应力变形性态是确定大坝加高工程可行性的重要依据，特别是加高的坝体对坝基防渗墙应力变形的影响，目前尚缺乏较为深入的研究。为此，本文结合一个典型工程，采用数值分析的方法，对趾板建于深覆盖层上混凝土面板堆石坝加高工程的应力变形特性进行分析研究。

2 工程概述

韩家峡水库位于甘肃省金昌市西南的金川河上，距离金昌市区约30 km，是一座主要解决金昌市工业用水、市政及生活用水，兼顾解决下游农业用水的需求的中型水库。韩家峡水库混凝土面板堆石坝一期工程坝顶高程1828.6 m，最大坝高38.6 m。坝顶宽8 m，坝顶长149.5 m，大坝上游坝坡比为1∶1.4，下游坝坡比为1∶1.35，河床段趾板坐落在砂砾石地层上，其上游通过2.5 m宽连接板与1.0 m厚C30钢混凝土防渗墙衔接。根据引大济西工程规划要求，韩家峡水库需通过大坝加高进行水库扩容。结合坝址地形地质条件和运行管理等要求，在充分考虑建筑物布置等因素的基础上，大坝的加高在原混凝土面板坝下游采取贴坡加高的方式进行，加高后大坝坝顶高程1846 m，坝高56 m。图1所示为韩家峡水库混凝土面板堆石坝一期工程和二期加高工程的设计断面。

图1 深厚覆盖层上加高面板坝设计断面

3 数值分析模型与计算方法

3.1 有限元模型

混凝土面板堆石坝材料分区包括主堆石区、过渡区、垫层区、混凝土面板，三维有限元模型包含坝体及坝基覆盖层。图2所示为坝体断面的材料分区及有限元网格模型，一期工程的坝体及坝基共剖分36734个单元、35511个节点。二期加高后整个计算模型包含52932个单元和67349个节点。面板间垂直缝、一期和二期面板连接缝及面板与趾板间周边缝采用实体接缝单元模拟，面板与垫层之间设置有厚度薄层接触面单元。

(a)三维有限元网格剖分 (b)最大剖面

3.2 材料本构模型

在计算分析中，坝体和地基砂砾石等土石材料均采用邓肯-张非线性弹性E-B模型[2]，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：

(1)

(2)

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。

3.3 计算参数

坝体筑坝材料计算参数根据室内大型三轴试验和工程类比确定，计算参数见表2。混凝土面板、防渗墙、趾板、连接板等均采用C30混凝土，弹性模量取30.0 GPa，泊松比取0.167，密度取2.40 g/cm3。接触面模型参数见表3。静力计算采用常规的邓肯-张E-B模型[2-6]。

表2 两种防渗方案渗流量统计表

表2 筑坝材料邓肯-张E-B模型计算参数

4 计算结果分析

4.1 坝体应力变形

二期坝体加高后，坝体在蓄水运行期的应力和变形分布见图3、图4。坝体沉降量较一期工程蓄水期有所增加，最大沉降位于大坝中部高程靠近一期大坝的下游坡处。坝体水平位移(顺河向)最大值区域位于二期培厚的坝体堆石区，坝体上游坡脚部分区域的位置朝向上游侧。总体而言，二期坝体加高后，坝体应力变形数值和分布规律与常规混凝土面板坝类似。

(a)河床断面坝体顺河向位移 (b)河床断面坝体竖向沉降位移

(a)坝0+76断面大主应力 (b)坝0+76断面小主应力

4.2 加高后混凝土面板应力变形分析

二期坝体加高后，混凝土面板的位移和应力分布见图5、图6。蓄水运行期面板最大挠度为14.38 cm，位于一、二期面板交界的河谷中央处。面板顺坡向呈受压状态，最大压应力为6.41 MPa，位于面板下部。面板底部及边缘位置处产生少许拉应力，最大拉应力-1.26 MPa。面板坝轴向基本处于受压状态。最大压应力为6.48 MPa，最大拉应力为-1.33 MPa，位于面板两侧边缘位置。

(a)面板法向位移

(a)面板顺坡向应力

蓄水运行期，混凝土面板的应力最大值见表3。从计算结果看，由于加高后水头增加不大，且加高后的坝体从下游侧提供了对面板的支撑作用，加高后的面板在蓄水运行期的压应力增加不大，但顺坡向拉应力数值有所增加。总体而言，面板应力分布规律与一期工程相比未发生实质变化。

表3 面板应力最大值(蓄水运行期)

4.3 混凝土防渗墙应力变形分析

大坝二期加高后，由于坝体自重的增加，坝体对坝基覆盖层变形的影响也有所增大。在空库情况下，位于坝体趾板上游侧的坝基混凝土防渗墙受到坝基覆盖层向上游侧变形的作用。水库满蓄后，在水压力的作用下，混凝土防渗墙呈向下游侧的变形趋势。表4为混凝土防渗墙在不同工况下的位移最大值统计，图7、图8为防渗墙在蓄水运行期的位移及应力分布。

(a)防渗墙顺河向位移

(a)防渗墙顺河向位移

表4 防渗墙位移最大值统计表

由计算结果可知，坝体加高后，在空库的情况下，由于坝体对覆盖层的作用，防渗墙朝向上游的位移较一期大坝同期情况下有所增大。水库满蓄时，在库水压力作用下，防渗墙位移朝向下游方向，尽管二期大坝加高情况下防渗墙向下游方向的位移数值与一期大坝同期情况下的位移数值变化不大，但考虑到空库情况下防渗墙从朝向上游的位移转为朝向下游的位移，实际上由于水压力的作用而导致的防渗墙的位移还是有较大的增加。

坝基混凝土防渗墙在空库情况下和满蓄情况下的应力分布见图9、图10。从计算结果看，空库工况下，防渗墙应力相对比较小，但由于墙体向上游侧的变形，防渗墙顶部出现一定程度的拉应力。水库正常蓄水后，在库水压力和坝基覆盖层变形的共同作用下，防渗墙的竖向压应力有明显增加，墙顶拉应力消失。

(a)防渗墙竖直向应力

(a)防渗墙竖直向应力

5 结论

通过针对趾板建于深覆盖层上的混凝土面板堆石坝加高工程应力变形特性的计算分析研究，可以得出以下主要结论：

(1)对于趾板建于深覆盖层上的混凝土面板堆石坝工程，采用从下游坝坡贴坡培厚的方式进行大坝加高大坝的整体应力变形特性与常规建于覆盖层上的混凝土面板坝相比未发生实质性的变化，坝体最大沉降位于加高后坝体的中部。坝体、面板的各项应力、变形控制指标均可满足安全性要求，这样的加高方式是一种较为可行的方案。

(2)在二期加高坝体堆石材料填筑指标和质量要求不降低的情况下，从一期坝体下游侧培厚的坝体坝体可以对面板提供较好的支撑作用。加高后的大坝尽管在运行期水头有所增加，但混凝土面板的应力并未出现显著增大，混凝土面板的应力状态总体较好。

(3)加高后坝体对坝基覆盖层的变形将产生较为明显的影响，覆盖层在空库和满蓄情况下的水平位移，以及满蓄情况下的竖向位移均有显著增加。受此影响，混凝土防渗墙在满蓄情况下的应力也有明显的增大。为此，工程设计与施工中需密切关注坝基防渗墙的应力状态。