超深覆盖层沥青混凝土心墙坝坝基防渗方案研究

朱 晟，林道通，胡永胜，何顺宾

（1.河海大学水文水资源与水利水电工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610071）

0 引言

我国西部地区河流上大坝地基多为深覆盖层，采用沥青混凝土心墙与坝基防渗墙共同防渗的土石坝已经得到成功应用[1-8]。拟建中的黄金坪水电站系大渡河干流水电规划 “三库22级”的第11级电站，大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝方案，最大坝高95.5 m。河床覆盖层最大厚度133.9 m，左右两岸不对称，以散粒体为主。因河床覆盖层最大厚度达130余米，考虑到目前国内尚无深度大于100 m的坝基防渗墙的成熟施工经验，因此难以直接采用封闭式防渗墙方案；如果采用悬挂式防渗墙加帷幕灌浆方案，由于复杂的河谷地形及上部坝体自重与水压力的作用，可能不利于混凝土防渗墙墙体与沥青混凝土心墙的受力条件[9，10]；而且为了保证施工工期，需要在防渗墙上设置灌浆廊道，可能存在由于防渗墙复杂的变形分布使得廊道受力条件恶化的问题。为此，本文针对坝址超深覆盖层的特点，拟定若干组不同的坝基防渗方案，进行应力应变分析，为选取合理的坝基防渗方案提供依据。

表1 土石料计算参数

1 筑坝材料计算模型及参数

不同的坝基防渗方案的大坝应力变形性状数值分析采用不同的计算模型，堆石体、沥青混凝土采用邓肯E-ν非线性弹性模型，混凝土防渗墙、廊道与基座的材料都为混凝土，采用线弹性模型，计算参数见表1～3。

表2 接触面材料参数

表3 线弹性材料参数

2 不同坝基防渗方案的比较分析

2.1 防渗方案的拟定

为了解不同的防渗墙深度与形式 （悬挂式还是封闭式）、廊道的大小、防渗墙与心墙的连接方式（廊道还是基座）等对大坝结构变形与应力的影响，将坝基防渗方案分为7个组，对应进行应力应变数值分析研究，不同设计方案的具体防渗结构见表4。

2.2 大坝网格剖分与荷载分级

考虑到坝址超深覆盖层和坝体分区特点，对大坝进行了三维有限元网格剖分 （见图1）。方案①～⑦整个坝体结构的总结点数分别为11 732、11 746、11 732、11 746、10 579、10 298、12 001个； 总单元数分别为 10 261、10 277、10 261、10 277、9 405、9 297、11 041个。考虑到坝基混凝土防渗墙的底部常存在少量碎石难以清理干净，影响防渗墙与岩基之间的相互作用，计算时设15 cm厚的沉渣单元来模拟这种相互作用的影响。对心墙与砂砾料过渡区之间、混凝土基座或廊道与沥青混凝土心墙之间，设置Goodman接触面单元，模拟两种材料交界面的位移不协调问题。

表4 计算方案

图1 大坝有限元计算网格剖分

考虑到坝体施工分层碾压填筑和堆石体的非线性特性，采用逐级施加荷载的方式，沥青混凝土心墙与大坝堆石体同步填筑上升。本次计算按坝体施工填筑的先后次序分16级来模拟，坝体具体填筑分级见图2。

图2 大坝填筑分级示意

2.3 方案比较与分析

由于正常蓄水期大坝堆石区和心墙、廊道等防渗体系的应力最大，为控制工况，本文只选取了正常蓄水期的应力变形性状进行比较。另外，廊道、混凝土防渗墙的拉应力为主要控制应力，故主要选用第三主应力作为比较分析的依据。各方案正常蓄水期的应力、变形计算极值见表5、6。

表5 正常蓄水期各防渗方案的应力计算极值MPa

表6 正常蓄水期各防渗方案的变形计算极值cm

2.3.1 防渗墙 （悬挂式）深度的影响

图3、4分别给出了廊道尺寸相同而混凝土防渗墙深度不同时防渗墙和廊道的小主应力等值线。结合表5的应力极值可以看出，防渗墙深度加深后，大坝与防渗体系的应力分布规律基本不变。满蓄期廊道的主拉应力由3.15 MPa减小到2.83 MPa，且绝大部分为压应力区；防渗墙最大拉应力由2.31 MPa减小到2.18 MPa，防渗墙加深后的拱效应有所改善。另外，从大坝堆石区和防渗体系的变形来看，70 m深防渗墙方案的堆石体竖向位移为108.6 cm，沥青混凝土心墙的竖向位移为100.7 cm；而90 m深防渗墙方案堆石体的竖向位移为106.2 cm，有所减小，沥青混凝土心墙的竖向位移为100.6 cm，几乎不变。防渗墙深度的增加对大坝的变形与应力有利。

2.3.2 防渗墙形式 （悬挂式或封闭式）的影响

图3 防渗墙小主应力等值线（一）（单位：MPa）

图4 廊道小主应力等值线 （单位：MPa）

图5给出了廊道尺寸相同而坝基防渗形式不同时防渗墙的大主应力等值线分布。由图5可知，两种不同的布置方式防渗墙的应力差异较大，其中悬挂式防渗墙的大主应力极值为24.21 MPa，大于封闭墙方案，且存在明显的拱效应，应力条件相对较差。从表5的应力极值来看，当采用封闭式防渗墙方案，满蓄期廊道的主拉应力极值为1.86 MPa，防渗墙的最大拉应力为1.67 MPa，心墙的竖向应力为2.11 MPa；采用悬挂式防渗墙加帷幕灌浆方案，满蓄期廊道的主拉应力极值为2.12 MPa，防渗墙的最大拉应力为2.02 MPa，心墙的竖向应力为1.70 MPa。可见与采用封闭式防渗墙相比，采用悬挂式防渗墙加帷幕灌浆方案，由于拱效应，使得廊道、防渗墙的主应力有所增大，分布也更为复杂。从表6的变形极值来看，大坝堆石体和沥青混凝土心墙的竖向变形有所减小，堆石体的竖向位移由128.0 cm减小至118.5 cm，心墙的竖向位移则由126.2 cm减小至113.2 cm，主要原因可能是采用封闭式防渗墙时开挖地基后回填料力学参数低于原覆盖层所致。

图5 蓄水期防渗墙大主应力等值线 （单位：MPa）

2.3.3 廊道尺寸的影响

当廊道尺寸减小后，满蓄期防渗墙的最大拉应力和心墙的竖向正应力几乎不变，防渗墙的最大拉应力都在2.30 MPa左右，但廊道的最大拉应力由3.15 MPa减小到3.02 MPa，可见在本工程河谷地形复杂的情况下，廊道尺寸的增加使廊道的拉应力增大，受力条件不利。但从表6也可知道，廊道尺寸减小后，沥青混凝土心墙的竖向位移有所增大，由100.6 cm增至102.0 cm，其主要原因是廊道尺寸减小后，在廊道底高程不变的条件下，心墙的高度相对增大，考虑心墙和堆石体变形的相关性，使得堆石体和心墙的竖向位移增大。

2.3.4 防渗墙与心墙之间连接方式的影响

图6给出了地基采用封闭式防渗墙方案、防渗墙与心墙的连接方式不同时防渗墙的小主应力等值线。因采用封闭式防渗墙方案，防渗墙消除了拱效应。当采用廊道连接时，混凝土防渗墙的竖向位移为15.3 cm，廊道的最大拉应力为1.86 MPa。而采用基座相连时，防渗墙的竖向位移为14.3 cm，基座的最大拉应力为1.03 MPa，拉应力值有所降低。但取消廊道采用基座后，由于坝基帷幕灌浆会延长建设工期。

图6 防渗墙小主应力等值线（二）（单位：MPa）

3 结论

（1）采用悬挂式防渗墙、混凝土廊道和沥青混凝土心墙共同组成大坝的防渗体系时，不同防渗方案对大坝变形的影响各有利弊。从应力和变形方面考虑，随着防渗墙深度的增加，防渗墙拱效应有较明显的改善，堆石体和心墙的竖向位移减小，对大坝的变形与应力有利。廊道尺寸的增加，对防渗墙、廊道、心墙的受力条件不利，同时运行的可靠性也会降低。

（2）取消混凝土廊道而在防渗墙顶部设置基座与沥青混凝土心墙相连，防渗结构简单，改善了基座与防渗墙的应力分布，也降低了其最大拉应力值，对大坝的应力和变形有利。但取消廊道后，由于坝基帷幕灌浆干扰大坝施工，将导致枢纽建设工期的延长。

（3）采用地基开挖20 m至1 376 m高程后布置封闭式防渗墙方案，墙体不存在拱效应，防渗墙与廊道的拉应力明显降低，大坝的应力分布最优。

综合考虑大坝的应力及变形与施工运行条件，坝基宜采用封闭式混凝土防渗墙和小尺寸廊道防渗方案。

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