软硬坝基先筑坝后建塑性混凝土防渗墙应力与变形分析

张周文

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528403)

1 工程概况

高达水库工程位于广西来宾市武宣县境内的黔江支流东乡河上游，是一座供水、灌溉功能的中型水库，坝址以上流域集雨面积为27.6 km2，水库总库容为1 090万m3，正常蓄水位为276 m，大坝轴线长为625 m，新建大坝为先筑坝后成墙的塑性混凝土防渗心墙土石坝，坝顶高程为278.5 m，防浪墙顶高程为279.5 m，坝顶宽为6.1 m，最大坝高为65.5 m，上游坡坡比为1∶2.25，下游坡自上而下坡比分别为1∶2、1∶2、1∶2.25，塑性混凝土防渗心墙厚为0.8 m，布置在坝体中心线靠上游侧1.8 m，心墙上下游侧为过渡层，过渡层边坡为1∶0.2，上下游坝壳填料为料场开挖石渣混合料，坝址及坝体剖面如图1～图2所示。

图1 坝体典型横剖面示意

图2 坝址纵剖面示意

大坝左岸地形平坦地基洪坡积碎石土层覆盖层最大厚度达33 m，其下伏基岩多层溶洞分布，溶洞厚度最大为18 m，其中溶洞中无充填占比为15.4%，有充填的溶洞占比为84.6%，单孔线容率平均值为35.16%，最大值75.98%，坝址区属于岩溶强发育区；河床洪坡积层厚度为5～10 m，透水性强，河床左侧地形陡峭基岩出露，为粉砂泥质岩；大坝右岸边坡较缓覆盖残坡积土层为6～12 m。经统计，覆盖层厚度t=0的坝长为20 m，占3.2%，0

虽然通过先筑坝后成墙方式可降低大坝填筑施工阶段产生的沉降对塑性混凝土防渗心墙的影响，但是，蓄水阶段大坝还会产生水平和沉降变形，因此，针对如此复杂的坝基地质条件如何选择高坝、低坝均适应的塑性混凝土配合比，验证软硬坝基塑性混凝土防渗心墙的的应力与变形，是有待解决的主要技术问题之一。

2 不同坝高塑性混凝土防渗墙参数的选择

2.1 计算模型与边界条件

根据《水工设计手册(第2版)第6卷土石坝》[1]采用邓肯—张E-B模型，根据大坝的纵横剖面图，采用Autobank[2]建立二维非线性有限元计算模型，模型计算范围为：上、下游大于2倍坝高，地基大于1.5倍坝高。

计算过程中，边界条件设为：模型底部固定z方向位移，左右侧固定x方向位移、y方向铰支。

2.2 计算断面与参数

根据坝基覆盖层和基岩相近的原则选取河床至右岸段3个断面，分别为右岸断面1(坝高为25 m)、右岸断面2(坝高为40 m)、右岸断面3(坝高为65.5 m)。

邓肯-张E-B计算模型各分区材料的参数类比其他工程[2-11]取值见表1所示，基岩按弹性材料考虑取值见表2所示。

表1 邓肯—张E-B模型各分区材料参数

表2 基岩(弹性材料)参数

根据工程类比[3-15]选用3组不同配合比塑性混凝土防渗墙经验参数见表3、表4所示。

表3 塑性混凝土防渗墙配合比

表4 不同配合比塑性混凝土防渗墙模型计算参数

2.3 计算工况及方案

由于采用先筑坝后成墙的施工工艺，大坝填筑完成后才施工防渗墙，故计算工况仅考虑蓄水期，施工期填筑加载步根据不坝高分别确定，一般为坝高的1/10，下面以右岸断面3(坝高为65.5 m)为例说明加载步如下：施工填筑共11个加载步，第1个加载步为模拟坝基施工，位移归0，第2个至第10个加载步为坝体填筑施工，按照6.55 m 1个填筑加载步进行加载，第11个加载步为防渗墙施工，第1个加载步至11个加载步表面竖向位移为0；蓄水阶段共1个加载步，模拟正常蓄水位蓄水加载过程。

2.4 计算结果分析

2.4.1防渗墙应力与应变分析

不同坝高、不同配合比的防渗墙的最大、最小主应力和垂直、水平位移最大值对比见表5，右岸断面3(蓄水期) 心墙大、小主应力等值线见图3、图4，垂直、水平位移等值线见图5、图6。

表5 不同坝高、不同配合比防渗墙的大、小主应力和垂直、水平位移最大值对比

a 配合比1

b 配合比2

c 配合比3图3 右岸断面3(蓄水期) 心墙大主应力等值线示意

a 配合比1

b 配合比2

c 配合比3图4 右岸断面3(蓄水期) 心墙小主应力等值线示意

a 配合比1

b 配合比2

c 配合比3图5 右岸断面3(蓄水期) 心墙垂直位移等值线示意

a 配合比1

b 配合比2

c 配合比3图6 右岸断面3(蓄水期) 心墙水平位移等值线示意

从表5可知，右岸断面1在3种配合比条件下心墙的大、小主应力和垂直、水平位移均变化不大，且应力、位移值均较小，故3种配合比均适用右岸断面1；右岸断面2在3种配合比条件下心墙的垂直、水平位移均变化不大，大主应力最大的是配合比3为172 kPa,其次是配合比1为133 kPa，最小是配合比2为93 kPa，均是位于坝高2/5附近，而小应力最大的是配合比3为-262 kPa,其次是配合比1为-173 kPa，最小是配合比2为-157 kPa，均是分布在坝高1/3～2/3范围，虽3种配合比均适用右岸断面2，但相对而言配合比2优于配合比1和配合比3；从表5和图6可知：右岸断面3在3种配合比条件下心墙的垂直、水平位移均变化不大，向下最大垂直位移均发生在2/3坝高处，最大值为56.6 cm(占坝高的0.86%)，向上垂直位移均为0，向下游水平位移均发生在坝顶，最大值为55.6 cm(占坝高的0.85%)，向上游水平位移均为0，大主应力最大的是配合比3为212 kPa,其次是配合比1为204 kPa，最小是配合比2为179 kPa，均是位于坝高2/5附近，而小应力最大的是配合比3为-465 kPa，稍微超过塑性混凝土抗拉强度极值450 kPa (抗拉强度极值取抗压强度的10%)，存在被拉裂的风险，其次是配合比1为-319 kPa，最小是配合比2为-297 kPa，配合比1和配合比2的最大小应力虽都满足，但是配合比2其水平位移最大值50.4 cm较配合比1的55.6 cm小10%左右，因此，配合比2优于配合比1。

综上所述，选取配合比2作为大坝塑性混凝土的配合比。

3 软硬坝基防渗墙的应力与变形分析

根据上述选定的防渗墙配合比，软坝基选取左岸断面5(覆盖层厚为22 m、坝高为25 m)、硬坝基选取河床断面6(覆盖层为0 m、坝高为55 m)共2个断面分析防渗墙的应力与变形，防渗墙的最大、最小主应力和垂直、水平位移最大值对比见表6。

表6 防渗墙的大、小主应力和和垂直、水平位移最大值对比

从表6可知，左岸断面五大主应力最大值为106 kPa，位于1/3坝高处,小主应力最大值为-228 kPa，位于坝基附近，向下最大垂直位移8.5 cm(占坝高的0.34%)发生在坝高1/3～2/3范围，向上垂直位移为0，向下游最大水平位移10 cm(占坝高的0.4%)发生在坝顶，向上游水平位移为0；河床断面六大主应力最大值为54 kPa，位于1/3坝高处,小主应力最大值为-307 kPa，位于坝基附近，向下最大垂直位移43.5 cm(占坝高的0.79%)发生在坝高1/3～2/3范围，向上垂直位移为0，向下游最大水平位移39.5 cm(占坝高的0.72%)发生在坝顶，向上游水平位移为0。综上所述，软硬坝基防渗墙的应力与变形满足要求。

4 结语

由于坝址岸坡的不对称性和坝基覆盖层的不均匀，为了满足不同坝高塑性混凝土防渗墙的应力变形要求，根据不同坝高、不同配合比的模拟计算结果选择适应不同坝高的配合比是可行的，经验证软硬坝基的塑性混凝土防渗墙的应力变形也是满足要求的，目前，大坝塑性混凝土防渗墙在施工中，已完成施工高程276 m,监测还没有开始施工，下一步可根据防渗墙的应力与变形监测成果，对计算成果进行验证，可为类似工程提供参考。