高土质心墙堆石坝新型坝体结构形式研究

徐 晗，饶锡保，潘家军，黄 斌，陈 云

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究概况

西南地区设计和规划中的高坝大库，随着坝高的增加，具有普遍性的关键技术问题主要有:高坝设计理论面临新的突破，300m级的高坝近10座，建成后均将成为世界之最(如小湾和锦屏一级高拱坝;瀑布沟、糯扎渡、两河口和双江口高土石坝);地震烈度高，峰值加速度最高可达到0.6 g;覆盖层深厚，最深可超过 100m［1－3］。根据国家水电资源开发的需要，无法回避在西部地区深厚覆盖层上建200m级高土石坝的重大技术问题［4］。目前国内外尚未有直接在百米级深厚覆盖层上建成坝高超过200m高土石坝的工程实例和设计经验［5］。

深厚覆盖层上建高土石坝，常采用的防渗体系的形式为在防渗墙顶部建立刚接的灌浆廊道，然后在廊道外包大块高塑性黏土。但在百米覆盖层上建设超过200m的高土质心墙坝再采用这种传统的防渗结构形式是不适合的，因为防渗墙与覆盖层之间的沉降差较大，且由于坝高超过200m，经过廊道传到防渗墙上的压力也是非常巨大的，当防渗墙的压应力超过一定的极限后会诱发受压破坏，已不适合采用传统的土质心墙或趾板直接建在覆盖层上的结构形式，需要深入研究新型坝体结构。

针对深厚覆盖层上修建土石坝提出了一个新型结构体系，即直接在覆盖层上建“混凝土盖板”，混凝土盖板中设置大型廊道，可以在大型廊道中施工修建防渗墙，由覆盖层中的防渗墙、混凝土盖板及以上的坝体形成完整的防渗体系，对这种新型结构尚需要准确掌握静力作用下覆盖层、坝体、混凝土盖板及防渗墙的应力与变形特征，并评价这种新型结构的结构安全性和适应性。

2 计算模型及计算参数

对某百米覆盖层上的200m级高土质心墙堆石坝，采用该类型的新型结构进行了计算，如图1所示。其中坝底高程为0m，坝顶高程为223 m，水位高程为180m，覆盖层厚约 100m。上游坡比1∶2.25，下游坡比为1∶2。

图1 新型结构示意图Fig.1 Sketch of the new structure

新型结构的细部示意图见图2，其中混凝土盖板高 30m，底宽为36m。中空廊道宽 7 m，高10.5m，底板为5m厚。盖板上下游两侧可采取黏土心墙的斜率1∶0.2。盖板的设置范围不要太宽，一般为心墙底部断面的1/3即可。

对新型结构进行非线性有限元计算，详细地分析了混凝土盖板、防渗墙之间的相互作用，并对混凝土盖板及其周边坝体区域和混凝土防渗墙应力应变的影响进行了系统的研究。

图2 新型结构细部示意图Fig.2 Detailed sketch of the new structure

由于设置盖板方案的目的是为了能在大型廊道中施工防渗墙，一方面能显著缩短工期;另一方面能减轻上部坝体传到防渗墙上的压应力。为了研究防渗墙的施工顺序对防渗墙及混凝土盖板的影响，设置了如下的3个计算方案进行对比，具体见表1。

表1 计算方案Table 1 Computational schemes

坝体计算参数根据国内待建的超过200m高土质心墙堆石坝进行选取，针对百米级深厚覆盖层上的高土质心墙堆石坝新型坝体结构进行三维有限元计算，研究各新型坝体结构设计方案下坝体和混凝土盖板的应力与变形特征，评价其在高应力、高水头作用下的结构安全性。本次静力计算采用的邓肯张E－B模型参数见表2。

为了准确计算防渗墙与覆盖层之间的相互作用，在各种刚度不连续的界面上设置了如下的接触单元。采用无厚度的接触摩擦单元模拟了各种刚度差异较大之间的力学特性，覆盖层与防渗墙之间的摩擦角为11°。

3 计算结果分析

3.1 坝体的变形

坝体的沉降和水平位移等值线图如图3与图4所示，可知竖向位移为5.5m，水平位移为1.6m。由于覆盖层②为软弱夹层，因此覆盖层的沉降较大，最大值为3.1m左右，坝体自身的沉降约为2.4m。因此，覆盖层与防渗墙之间的沉降差会引起防渗墙较高的压应力。

图3 水平位移等值线Fig.3 Horizontal displacement contours of the dam

图4 竖向位移等值线Fig.4 Vertical displacement contours of the dam

3.2 防渗墙和盖板的应力

3种工况下典型蓄水期防渗墙位移曲线、应力状态分别如图5、图6所示。

图5 蓄水期防渗墙位移曲线Fig.5 Displacement curves of cutoff wall in storage period

表2 计算采用的邓肯E-B模型参数Table 2 Duncan E-B model parameters for calculation

可知防渗墙水平位移最大为68cm，对3种工况来说，防渗墙的水平位移主要是蓄水期水压力作用引起的，由于3种工况的水压力基本上是一样的，因此，防渗墙施工顺序对防渗墙水平位移影响较小。工况2为坝体填筑完后再打防渗墙，在水压力作用下蓄水期防渗墙有一定程度的上抬。

图6 蓄水期防渗墙应力状态Fig.6 Stress status of cutoff wall in storage period

由图6蓄水期防渗墙应力状态可知，防渗墙伸入混凝土盖板底板的部分由于受到两侧边的约束作用，虽然能上下移动，但伸入部分随着盖板的不均匀沉降导致该处产生一定的扭转并引起扭矩，造成该处的表面拉应力达到4.5MPa，改进措施是减小盖板的不均匀沉降，这就需要对盖板底部的地基进行一定的加固处理。对于工况2来说，由于竣工期防渗墙的压应力较小，蓄水期间静水压力作用下防渗墙就成了偏心受拉构件，因此该工况的防渗墙拉应力会较大，最大达到了11.9MPa。而工况1与工况3蓄水前由于防渗墙两边覆盖层的沉降引起防渗墙一定程度的压应力，蓄水后即使受到静水压力作用仍为偏心受压构件，没有出现较大的压应力。可知，对于新型结构来说，防渗墙的压应力在合理的范围之内。

混凝土盖板主应力云图见图7所示，盖板的受力较为复杂，但应力状态受防渗墙施工顺序的影响较小，3种不同工况下竣工期、蓄水期盖板的应力极值均较为接近。在盖板的底部受到土的反力作用，同时由于中空廊道的削弱效应，使得盖板中空处底板相当于悬臂地基梁，会承受一定的弯矩，弯矩引起底部表面的拉应力，因此，中空廊道底板需要一定的厚度才能够达到规定的要求，改进措施为将中空廊道底板加厚。

图7 蓄水期盖板的应力状态Fig.7 Stress status of concrete slab in storage period

在盖板的顶部，由于两倾斜侧边不均匀荷载作用引起的弯矩造成盖板顶部也有一定的拉应力，但拉应力值不大。蓄水期上游部分水位上升会在盖板底部引起一定的静水压力增加，而下游部分盖板底部静水压力几乎不变，从而引起盖板一定程度的旋转，该旋转效应会在廊道顶部造成压应力集中区域，各工况压应力极值为－24.5MPa。

4 结论

表3 防渗墙和盖板的主应力Table 3 Principal stresses of cutoff wall and concrete slabMPa

(1)新型结构的主要优点是避免了防渗墙顶端受到上部坝体传过来的巨大压应力，能充分减小防渗墙的压应力，同时能在廊道里进行防渗墙施工，在受力性能、施工组织上是较为积极的处理方式，本次应力、变形的计算结果显示该新型结构有相当的可行性。

(2)由于新型结构的优点是能在廊道中进行防渗墙施工，因此需要设置大型的中空廊道，为了减小中空廊道对混凝土盖板刚度削弱的影响，混凝土盖板的底板需要达到一定的厚度，同时混凝土盖板也需要达到一定高度。

(3)防渗墙蓄水前受到一定的压应力是有益的，该压应力可确保在静水压力作用下防渗墙仍为偏心受压构件，这样就不会出现较大的拉应力;如果减小防渗墙的压应力到一个极端的情况，则蓄水期间静水压力作用下防渗墙就成了偏心受拉构件了，而混凝土基本上是受压不受拉的材料，因此不能采用这种施工方式。

(4)总的来说，混凝土作为一种能受压不受拉的优良建筑材料，进行结构设计应该充分发挥其建筑材料的特点，从这个观点来说，需要进一步在结构上进行细化，针对受拉较为集中的部位开展优化设计，以减小拉应力。

［1］郦能惠，米占宽，李国英，等.冶勒水电站超深覆盖层防渗墙应力变形性状的数值分析［J］.水利水运工程学报，2004，(1):18－23.(LI Neng-hui，MI Zhankuan，LI Guo-ying，etal.Numerical Analysis of Stress Deformation Behavior of Concrete Diaphragm Wall in Supper-deep Overburdened Layer of Yele Hydropower Station［J］.Hydro-Science and Engineering，2004，(1):18－23.(in Chinese))

［2］郦能惠，孙大伟，米占宽，等.覆盖层上高面板坝连接板长度优化分析［J］.水利水电技术，2005，36(7):81－85.(LI Neng-hui，SUN Da-wei，MI Zhan-kuan，etal.Optimization Analysis on Length of Connection Slab for High Concrete Faced Rockfill Dam on Deep Alluvium Deposit［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2005，36(7):81－85.(in Chinese))

［3］魏振荣.修建在深厚覆盖层上的坎尔其沥青混凝土心墙坝［G］∥土石坝建设中的问题与经验.西安:陕西人民出版社，2002:315－318.(WEI Zhen-rong.Kan’erqi Bituminous Concrete Core Dam Built in Deep Overburden［G］∥Experiences and Problems in the Construction of Earth and Rock Dam.Xi’an:Shaanxi People’s Publishing House，2002:315－318.(in Chinese))

［4］潘家军，汪明元，徐 晗.深厚覆盖层上超高土质心墙堆石坝三维有限元分析［G］∥现代堆石坝技术进展.北京:中国水利水电出版社，2009.(PAN Jia-jun，WANG Ming-yuan，XU Han.Three-dimensional Finite Element Analysis of High Earth Core Rockfill Dam on Deep Overburden Layer［G］∥Modern Rockfill Dams.Beijing:China Water Power Press，2009.(in Chinese))

［5］王柏乐.中国当代土石坝工程［M］.北京:中国水利水电出版社，2004.(WANGBai-le.Contemporary Earth and Rock Dam Projects in China［M］.Beijing:China Water Power Press，2004.(in Chinese))