黄河海勃湾水利枢纽土石坝混凝土防渗墙应力及变形分析

阮建飞 王景涛 陈海峰

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222；2.天津市宁车沽闸管理所 天津 300453）

黄河海勃湾水利枢纽工程位于内蒙古自治区乌海市境内的黄河干流上，坝址上距石嘴山水文站50km，下游87km处为已建的内蒙古三盛公水利枢纽。坝址距乌海市3km，距自治区首府呼和浩特市约550km。

海勃湾水利枢纽是一项具有防凌、发电等综合效益的水利枢纽工程，工程为Ⅱ等工程，工程规模为大（2）型。枢纽主要由土石坝、泄洪闸、河床式电站等建筑物组成，坝顶高程1078.7m，水库正常蓄水位1076.0m，水库总库容4.87亿m3，电站装机四台，总装机容量90MW。其中土石坝段总长3550.3m，最大坝高18.2m，防渗采用“粘土心墙+悬挂式混凝土防渗墙”形式，防渗墙最大深度40m，顶端嵌入粘土心墙2m。本文通过对土石坝坝基防渗墙的平面应力及变形分析，从而为合理选择混凝土防渗墙的形式及设计参数[1]提供必要的依据。

1 基本资料

（1）计算选用完建、正常蓄水位及“正常蓄水位+地震”三种工况。正常蓄水位1076.0m，相应下游水位1065.0m。

（2）土石坝属2级建筑物，工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.228g，相应地震基本烈度为8度，反映谱特征周期为0.40s。工程抗震设计烈度为8度。

（3）结构计算分别采用40cm、60cm厚混凝土防渗墙，墙体材料按塑性混凝土和普通混凝土分别考虑，塑性混凝土弹性模量采用1000 MPa和1500 MPa，普通混凝土弹性模量采用17500 MPa。泊松比0.167，容重24.0 kN/m3。

（4）防渗墙与土体间摩擦系数采用0.15（考虑泥皮作用）。

（5）不考虑初期施工引起的土体初始位移场和应力场，但考虑自重产生的附加应力。

（6）计算时忽略坝体的块石护坡、反滤及垫层，各土层之间采用理想化的平面接触方式。坝体及坝基土体参数见表1（粘土泊松比采用0.3，砂性土泊松比采用0.25），计算典型断面见图1。

2 有限元计算

2.1 计算原理

本计算采用《ANSYS结构分析系统》（采用二维平面实体单元、接触单元），对坝体结构、土体结构计算模型进行二维有限元[2]弹塑性应力分析计算。根据地质提供的参数，在进行弹塑性有限元分析中，土体采用理想弹塑性本构特性，防渗墙采用线弹性模型。

非线性应力屈服准则选用德鲁克-普拉格（Drucker-Prager）准则，相应计算公式如下：

表1 坝体及坝基土体参数表

德鲁克-普拉格屈服准则近似莫尔-库仑准则，对米赛斯准则进行了修正，其优点是考虑了σ2的作用。德鲁克-普拉格屈服准则适用于岩石和土壤等颗粒状材料。

2.2 边界条件及荷载

计算的边界条件：自坝体建基面以下沿深度方向取72m（见表1）；向上游（入渗点以上）及下游至少取1.5倍坝高。坝基底边界为不透水边界，即在坝基72m深度处不考虑垂直方向的水流交换。坝体及坝基上、下游为水力边界，水头大小与上、游水位一致；其余部分为自由渗流表面。计算边界约束为∶地基上游、下游和底部均加法向约束。

基本荷载主要有自重、上、下游水压力、渗透压力、地震动力作用。各个荷载均按照《水工建筑物荷载设计规范进行》（DL5077-1997）规定取用。地震荷载同时计入水平向和竖向的作用，水平向地震加速度代表值取0.228g，竖向地震加速度代表值取0.152g，总的地震作用效应采用将竖向地震作用效应乘以0.5的耦合系数后与水平向地震作用效应直接叠加。坝址属于Ⅲ类场地，地震设计反映谱按《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-2000）确定。

2.3 计算模型

假定模型顺水流方向为X正方向，铅垂向上为Y正方向。

大坝和地基按统一整体建模，建基面处坝体和土体按不同节点考虑，将坝体、土体分别划分为二维实体单元。混凝土防渗墙与土体间采用面面接触的接触单元模拟；防渗墙采用线弹性单元，其根部采用塑性铰模拟。网格划分以四节点等参单元为主，最终划分单元数如下：坝体单元数为720个，土体单元数为1410个。

2.4 计算结果及分析

考虑位移及应力等值线图占用篇幅较大，本文不再示出，仅通过计算成果表及相应说明予以反映。土石坝段防渗墙应力与变形计算结果见表2，表中σ1、σ3分别为防渗墙的最大、最小主应力，应力均以拉为正，压为负，位移以偏向下游为正，偏向上游为负。完建工况位移最大值位于中部稍偏上部位，最小值位于底端部位，均偏向上游，主要是由于自重产生的附加应力在墙体下游较上游稍大造成的；其他工况位移最大值位于顶端部位，最小值位于底端部位，主要是由于墙体两侧的不均匀渗透压力造成的。

上述计算考虑了普通混凝土和塑性混凝土两种墙体材料，其中塑性混凝土材料考虑了两种弹性模量。一般情况下，弹性模量为17500MPa的普通混凝土防渗墙的抗压强度可达到6MPa，抗拉强度可达到0.9MPa。根据经验，通过材料试验可以找到合适的配合比，将弹性模量为1000MPa～1500MPa的塑性混凝土的抗压强度和抗拉强度控制在5MPa和0.6MPa以上。

由于防渗墙的应力应变状况受地基形变、墙体厚度、墙体材料等多方面因素的影响，故各个工况下所反应的应力应变情况不尽相同。从计算成果可以看出：

对于土石坝段，40cm厚塑性混凝土防渗墙的最大拉应力和最大压应力分别为0.30MPa和4.48MPa，40cm厚普通混凝土防渗墙的最大拉应力和最大压应力分别为0.44MPa和5.46MPa；60cm厚塑性混凝土防渗墙的最大拉应力和最大压应力分别为0.23MPa和3.99MPa，60cm厚普通混凝土防渗墙的最大拉应力和最大压应力分别为0.37MPa和4.79MPa。综合分析以上数据，各个工况的压应力偏大，但均在前述经验值范围内；塑性混凝土防渗墙的应力较普通混凝土防渗墙有所改善，且60cm厚塑性混凝土防渗墙的应力最小。单从结构分析方面来说，土石坝段选用40cm、60cm厚塑性或普通混凝土防渗墙均可。防渗墙厚度最终尚需结合施工质量、工艺等因素选定。

表2 防渗墙应力与变形计算成果表

通过对不同材料（塑性混凝土和普通混凝土）的防渗墙墙体水平位移计算结果来看，相同工况条件下，不同材料的墙体水平位移相差不大，说明墙体的水平位移受墙本身的刚度影响较小，而主要是由地基的变形性质控制的。另外，减小墙体材料的弹模、增加墙体的柔度，即增加其与坝基变形的协调性，可减少墙体的应力，不过随着墙体柔性的增加，其强度势必相应减少[3]，故墙体刚度的选择尚需结合现场试验作进一步论证。

另外，计算结果说明，地震作用对混凝土防渗墙的应力及变形影响并不显著，不会对防渗墙产生破坏变形。

3 结论

黄河海勃湾水利枢纽土石坝坝基覆盖层深厚，采用混凝土防渗墙截断坝基渗流符合一般的工程处理措施，但由于刚性的深而薄的混凝土墙夹在较柔软的砂性土坝基中，如何考虑接触面形式及参数，对防渗墙的应力及变形会产生较大的影响[4，5]。本文通过二维有限元方法计算，考虑防渗墙与坝基土体之间泥皮的作用，采用接触单元，适当减少摩擦系数，得出的防渗墙应力及变形能较好地符合其实际运用情况，为土石坝的安全设计提供必要的依据，可供相关工程设计人员借鉴。陕西水利

[1]郑秀培著.土石坝地基混凝土防渗墙设计与计算[M].北京：?水利电力出版社，1979.

[2]朱伯芳著.有限单元法原理与应用（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，1998：510-514.

[3]张金有，李桂庆.哈拉沁水库大坝防渗墙应力与变形分析[J].人民黄河，2007，29（4）.

[4]陈剑，卢廷浩.结构形式及接触面参数对防渗墙应力变形的影响分析[J].水利水电技术，2003，34（11）.

[5]孙明权，常跃.影响混凝土防渗墙内力及变形的因素分析[J].人民黄河，2006，28（4）.