方溪水库防渗墙厚度敏感性分析

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

方溪水库防渗墙厚度敏感性分析

洪桂标，韩 峰，来妙法

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

混凝土面板堆石坝防渗墙厚度的确定，是设计人员需要考虑的问题。采用ABAQUS软件，以方溪水库为例，分析不同防渗墙厚度对面板、周边缝及连接缝的影响。计算结果表明，堆石坝体、面板及周边缝应力与变形对防渗墙厚度变化敏感性较低；趾板与连接板接缝、防渗墙与连接板接缝法向变形与防渗墙厚度无直接关系，切向变形与防渗墙厚度呈正相关。

深厚覆盖层；混凝土防渗墙；敏感性分析；E - B模型

1 问题的提出

自20世纪80年代以来，混凝土面板堆石坝以其经济性、安全性以及良好的适应性等优势逐渐成为我国水利水电建设中的主要坝型之一。目前，我国已建、在建或拟建的混凝土面板堆石坝已超过300座。

混凝土面板堆石坝地基覆盖层处理方式有：①清基；②趾板清基，坝体建于砂砾石层上；③趾板、坝体都建于砂砾石上，采用混凝土防渗墙形成封闭的防渗体系[1]。

方溪水库混凝土面板堆石坝地基为深厚覆盖层上，覆盖层为砂砾卵石，采用混凝土防渗墙处理地基渗流。防渗墙与趾板采用柔性连接，即防渗墙与趾板采用连接板连接，趾板与面板连接，接缝处设置止水，从而形成完整的防渗系统[2-3]。

目前，面板堆石坝设计仍主要建立在工程经验的基础上，对于防渗墙厚度变形特性对面板堆石坝工作性态的影响规律仍缺乏全面系统的认识。为此，结合方溪水库面板堆石坝，开展深厚覆盖层上混凝土防渗墙厚度的敏感性分析，目的在于揭示防渗墙厚度对面板堆石坝工作性态的影响规律，为后续类似工程设计提供技术参考。

方溪水库工程主要由混凝土面板堆石坝、岸边溢洪道、发电引水系统及发电厂房等组成。水库正常蓄水位112.00 m，汛限水位109.00 m，设计洪水位116.95 m，校核洪水位117.83 m。

混凝土面板堆石坝坝顶高程121.00 m，防浪墙顶高程122.20 m，坝基趾板底高程43.00 m，最大坝高78.00 m。坝顶宽度8.00 m，坝轴线长358.50 m，上游坝坡1:1.5，下游1:1.4。上游面117.00 m以上设C30W6F50钢筋混凝土L型直立式挡墙，高5.20 m，大坝基础为深厚砂砾石覆盖层，厚约30.00 m。方溪水库混凝土面板堆石坝标准剖面见图1。

2 计算原理

计算采用三维总应力有限元分析方法[4-5]。堆石料的应力应变关系采用邓肯张E - B非线性弹性模型模拟，采用大型有限元软件ABAQUS进行计算。

1970年，Ducan和Chang在Kondner[6]1963年提出的应力—应变双曲线假定基础上提出双曲线E - μ模型[7]。对于邓肯（Duncan）的E - μ模型，土石料的切线模量Et为：

式中：σ1和σ3为最大，最小主应力，kPa；Pa为大气压力，取值98 kPa；c和φ为强应指标，单位分别为kPa，°；K、n分别为弹性模量系数与指数；Rf为破坏比，表达式为：

式中：(σ1- σ3)ult指当应变为无限大时主应力差(σ1- σ3)的极限值，kPa；(σ1- σ3)f是土石料的强度，kPa；采用摩尔库仑准则确定，表达式为：

式中：c为土石料的内摩擦角，°；、φ为土石头料的凝聚力，N。但对于堆石料，为了考虑φ随围压σ3的变化，采用φ0、Δφ模式：Sl为应力水平，反映材料强度的发挥程度，表达式为：

图1 方溪水库混凝土面板堆石坝标准剖面图

卸荷模量Eur为：

式中：kur为卸荷模量系数，kPa；按照通常的做法，取卸荷模量指数nur= n。

土石料的切线泊松比表达式：

式中：G、F、D为无量纲材料常数。对于邓肯E - B模型，以体积变形模量Bt代替切线泊松比νt，表达式为：

其余参数参见E - μ模型。

面板、趾板和混凝土防渗墙采用线弹性模型；混凝土面板与垫层之间采用接触面单元模拟；防渗墙侧面及底部与覆盖层间用泥皮单元与沉渣单元模拟；面板与趾板、趾板与连接板以及连接板及防渗墙接缝均采用接缝单元模拟。

3 计算参数及工况

各种筑坝材料参数采用大三轴试验确定，参数见表1。

表1 方溪水库堆石坝材料参数表

接触单元参数通过试算的方法来确定，试算过程如下：先根据工程经验类比确定一个合理值进行第1次求解，然后用10倍于该值的参数进行第2次求解，以此类推。如果前后2次计算结果相差很小，而迭代次数增加很多，则曲线上突变值即为最优的刚度选取值。

接触单元、泥皮单元及沉渣单元计算参数见表2。接缝单元参数采用劲度关系式确定，限于篇幅文中不做展开。混凝土结构（面板、趾板、连接板及防渗墙等）采用线弹性本构模型，依据设计资料，混凝土材料参数为容重γ = 24.5 kN/m3，弹性模量E = 30 GPa，泊松比μ = 0.167。

表2 方溪水库接触面单元、泥皮单元及沉渣单元计算参数表

计算工况考虑竣工期和蓄水期2种。竣工期：坝体填筑荷载+混凝土结构自重。蓄水期：坝体填筑荷载+混凝土结构自重+水压力（上游水位为正常蓄水位112.00 m）。

计算中，假定坝体全断面填筑施工，根据设计要求，采用分级加载模式模拟大坝的施工过程和水库蓄水过程。坝体填筑共分23级，每级填筑高度约3.00 ～ 4.00 m；蓄水过程分为14级模拟，每级水位上升高度约为5.00 ～ 6.00 m。

4 不同防渗墙厚度下面板堆石坝应力与变形

为了研究防渗墙厚度对面板堆石坝应力变形的影响，计算结合地质条件及工程经验，保持防渗墙设计方案厚度1.00 m不变，其余分别上、下浮动20%，分别建立0.80，1.00，1.20 m等3种防渗墙厚度条件下的非线性有限元计算模型。

模型自建基面向下、自坝踵向上游、自坝趾向下游方向分别取约1.5、1.0、2.0倍坝高。坝基侧面及底面采用法向位移约束。

图2给出了3种有限元模型中防渗墙、连接板及趾板网格图。

图2 方溪水库防渗墙、连接板及趾板网格图（防渗墙厚度0.80，1.00，1.20 m）

4.1 堆石体应力与变形

竣工期与蓄水至正常蓄水位时坝体最大断面应力、变形计算结果见表3、4。

表3 坝体最大断面应力表

表4 坝体最大断面变形表

4.2 面板应力与变形

面板顺坡向应力、挠度极值计算结果见表5。

4.3 防渗墙应力与变形

防渗墙应力、变形计算结果见表6、7。

表5 面板顺坡向应力、挠度极值表

表6 防渗墙大小主应力极值表

4.4 接缝相对变形

坝体周边缝、趾板与连接板接缝、防渗墙与连接板接缝相对变形计算结果见表8 ～ 10。

表8 坝体周边缝相对变形表

表9 趾板与连接板接缝相对变形表

表10 防渗墙与连接板接缝相对变形表

5 防渗墙厚度敏感性

计算结果表明：

防渗墙厚度变化对堆石体、面板应力与变形影响较小，浮动范围基本在± 1%以内，且无明显关系。

随着防渗墙厚度增大，防渗墙大、小主应力及竖直向、水平向位移极值减小；防渗墙厚度减小，防渗墙大、小主应力及竖直向、水平向位移极值增大。防渗墙厚度与防渗墙大、小主应力及竖直向、水平向位移极值呈负相关。尤其是蓄水期时，防渗墙厚度上浮20.0%，防渗墙小主应力浮动- 30.7%，防渗墙厚度下浮20.0%，防渗墙小主应力浮动36.9%。表明蓄水期，防渗墙厚度变化对小主应力影响较大。

防渗墙厚度变化对坝体接缝相对变形影响较明显，但无明显规律。表明防渗墙厚度变化不是坝体接缝相对变形的主要影响因素，应通过其他计算进行研究。

6 结 语

（1）防渗墙厚度变化对堆石体、面板应力与变形影响较小。

与堆石体应力、变形成负相关关系，防渗墙厚度增大可有效减小堆石体大主应力，但减小幅度较小。

（2）防渗墙厚度变化与防渗墙大、小主应力及竖直向、水平向位移极值呈负相关关系。蓄水期时，防渗墙厚度增加能极大地降低小主应力及竖直向位移极值。

（3）防渗墙与坝体接缝无明显关系，数据较离散，但是，接缝变形随着防渗墙厚度变化较敏感，建议加强研究。

总体而言，对于深厚覆盖层上的面板堆石坝，增大防渗墙厚度可在一定程度上改善堆石体、防渗墙自身的应力变形以及面板挠度极值。尤其是对防渗墙自身应力、变形改善较为明显。深覆盖层上的防渗墙工程，应适当加厚防渗墙厚度，可有效降低防渗墙应力极值，提高混凝土防渗墙使用寿命及工程效用。

[1] 凤家骥.建造在覆盖层上的混凝土面板堆石坝[C]//中国水力发电工程学会.中国混凝土面板堆石坝十年学术研讨会论文集，北京：中国水力发电工程学会，1995.

[2] 温续余，徐泽平，邵宇，等.深覆盖层上面板堆石坝的防渗结构形式及其应力变形特性[J].水利学报，2007，38(2)：211- 216.

[3] 沈婷，李国英，李云，等.覆盖层上面板堆石坝趾板与基础连接方式研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(14)：2588- 2592.

[4] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：中国水利水电出版社，1996.

[5] 朱百里，沈珠江.计算土力学[M].上海：上海科技出版社，1990.

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TV543

B

1008 - 701X(2017)02 - 0072 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.020

2015-12-11

洪桂标(1985 - )，男，工程师，硕士，主要从事高堆石坝地震动响应分析工作。E - mail：hongguibiao@126.com