前坪水库大坝设计及三维应力变形分析

宁保辉，于 沭，董振锋，张幸幸

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

前坪水库位于淮河流域沙颍河支流北汝河上游、河南省洛阳市汝阳县县城以西9km前坪村，水库以防洪为主，结合灌溉、供水，兼顾发电的大(二)型水库，是国务院批准的172项重大节水工程之一。水库总库容5.84亿m3，控制流域面积1325km2。水库设计洪水标准采用500年一遇，校核洪水标准采用5000年一遇。主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、输水洞、泄洪洞、电站等。大坝采用黏土心墙砂砾(卵)石坝，坝顶长818m，最大坝高90.3m，目前为河南省坝高最高的心墙坝。

大坝设计存在坝体高度大，地基条件复杂，右岸坝肩岸坡陡峻，料场砂砾(卵)石料级配不良等特点，针对上述特点，在大坝设计中，采取多种工程措施。本文对大坝设计难点进行分析，并提出了设计方案，并根据前坪水库心墙坝的设计分区、地形条件以及覆盖层的土层分布，建立三维心墙砂砾石坝模型，对大坝的填筑及蓄水过程进行模拟，对各关键时刻包括竣工期、满蓄期大坝的应力、变形特性等进行了研究。

1 大坝设计

1.1 坝基处理

1.1.1覆盖层处理

坝基覆盖层以卵砾石层为主，厚度12.5～26.2m，最大厚度28m。卵砾石级配良—不良，上部结构多呈松散—稍密，强度不均匀，承载力采用值200～300kPa，存在压缩变形和不均匀沉降变形较大等问题；下部中密—密实，承载力采用值400～500kPa，变形模量35.0～40.0MPa。左岸一级阶地表层壤土、中细砂强度低，且河床段砂卵石受人工采砂影响(深度2～6m)，仅余粗颗粒，地面高程处于动态变化之中。下伏岩体为安山玢岩，主要呈弱风化状态。

现状天然河道表层砂砾卵石层由于挖砂影响，细颗粒含量偏少，尤其是砂粒含量，若采用振冲碎石桩处理效果不理想，处理深度不宜掌握，设计采用开挖换填方案，大坝河槽段建基面开挖至密实砂卵石层(Dr≥0.67)，阶地段建基面开挖至基岩。河槽段坝基砂砾(卵)石层挖除深度1.7～10.4m，阶地段坝基粉质壤土层挖除深度7～20m。

1.1.2坝基防渗设计

坝基覆盖层以卵砾石为主，渗透系数为5.2×10-1cm/s，属强透水性。阶地上分布的壤土、粉质黏土渗透系数5.25×10-5cm/s，属弱透水性。右岸坝肩分布的砾岩渗透系数4.02×10-4cm/s(透水率4.8～5.9Lu)，属弱透水性。弱风化砾岩透水率一般小于5.0Lu，属弱透水性。

覆盖层采用混凝土防渗墙，下伏透水岩体采用帷幕灌浆处理。根据计算及相关工程经验[1- 2]，防渗墙厚度按混凝土的允许渗透比降控制设计，防渗墙厚度1.0m。防渗墙混凝土采用C25钢筋混凝土，抗渗等级为W8。防渗墙布置于黏土心墙轴线上游5m处，全长665.0m，墙深11～29m。防渗墙向上插入防渗体内长度为7.0m。向下穿过砂砾石层深入至弱风化安山玢岩内不小于1m。混凝土防渗墙顶填筑含水率大于最优含水率的高塑性土区。在防渗墙每个槽段均设置纵横向φ25的钢筋网，以防止防渗墙局部开裂渗水，伸入心墙部分防渗墙采用现浇，钢筋网通长布置，跳仓浇筑，施工缝部位设1.60mm厚紫铜止水，表面上游侧粘贴一层碳纤维布(规格300g/m2)。防渗墙下部布置帷幕灌浆，防渗墙内预埋帷幕灌浆钢管(φ110mm)，帷幕底进入相对不透水层(3.0Lu)5m。布置1排帷幕灌浆孔，孔距1.5m。

1.1.3F2断层处理

坝基F2断层在桩号0+409与坝轴线相交，产状345°～355°∠70°，走向75°～85°，倾向NW，倾角70°～85°。断带宽5～10m，断层影响带宽度上盘14～22m，下盘1～3m，为压扭性正断层。断带呈棕红色，由碎块岩、糜棱岩、角砾岩、断层泥组成。断层影响带为强风化安山玢岩，灰黄色、棕红色，风化深度15～25m，岩芯多呈泥质含碎块。破碎带压水试验透水率0.96～3.40Lu，一般在1.20～1.80Lu，断层影响带内压水试验透水率2.20～3.00Lu，属弱透水，根据在断层带露头处试坑注水试验的成果，渗透系数为2.50×10-3～2.90×10-3cm/s。整体上渗透性不均，一般属弱—中等透水性。

F2断层靠近左岸顺河穿过坝址，断裂带以断层角砾岩和碎块岩为主，断层埋藏较深。鉴于F2断层发育的不均一性，沿F2断层破碎带的渗漏可能会引起渗透变形问题。设计为沿F2断层影响范围内(宽度为30m)防渗墙沿断层走向深入到坝基3Lu线下1m，此处防渗墙深度为46.0m，该段防渗墙远大于两侧防渗墙深度，在两侧变化区防渗墙由较大拉应力区，经计算及现场监测，配筋后防渗墙满足抗拉要求。

1.1.4右坝肩坡脚覆盖层处理

根据右岸坝肩地形，右坝肩坡脚黏土心墙基础部分坐落在基岩开挖边坡上，部分坐落于砂(卵)砾石覆盖层上，该段心墙为河槽段向右坝肩过渡段。为防止心墙产生不均匀沉降，在心墙范围内的覆盖层采用高喷灌浆处理，孔、排距2m；相邻高喷灌浆孔间再增加进行覆盖层固结灌浆措施，固结灌浆孔、排距2m，固结灌浆孔与高喷灌浆孔交错布置；心墙与岩基及覆盖层接触部位设1.2m厚混凝土盖板。

1.2 右岸坝肩陡峻岸坡设计

右岸岸坡陡立，平均坡度为59°，基岩裸露，为弱风化安山玢岩，强度高，但裂隙发育，多微张。受河流侵蚀及人类活动修路切坡影响，右岸边坡发育有强卸荷带，坡体呈悬坡，厚度为垂直地表5～10m，深度自边坡坡顶，延伸至河谷底，裂隙张开局部达1～2cm，连通性好，裂隙面普遍锈染，雨季沿裂隙见线状水流。坝肩轴线位置有一交通隧洞，洞长80m，雨后洞顶部出现渗水、漏水。

在满足黏土心墙与岸坡连接、岸坡帷幕灌浆施工要求的前提下，减少石方开挖。设计以坡脚为起点，开挖深槽，槽底宽20.0m，坝轴线方向坡比为1∶0.674，两侧开挖边坡坡比为1∶0.75，坡高为86.3m，坡长104m。坝肩黏土心墙均位于深槽内。对右坝肩原交通隧洞采用微膨胀混凝土进行全段封堵，混凝土强度达到设计强度70%后进行充填、接触灌浆。

1.3 坝体横断面设计

主坝坝顶高程423.50m，坝顶设高1.2m钢筋混凝土防浪墙，坝顶宽度10.0m。上游边坡坡度从上至下分别为1∶2、1∶2.25、1∶2.5，利用临时工程的施工围堰作为主坝坝体的一部分，上游戗堤截流施工完成后，在353.0m填筑顶宽20m平台与上游施工围堰结合。下游坝坡坡比从上至下均为1∶2.0，上游坝面364.0m高程以上采用C20混凝土连锁块砌块护砌，护砌厚度为0.24m，下游坝坡350.0m高程以上采用预制混凝土块生态护坡，350.0m高程以下(水位变动区)采用块石护坡。

黏土心墙顶宽4.0m，顶部高程422.70m，河床段心墙上下游坡比选用1∶0.3。左、右岸坡段坡比为1∶0.4，中间设置30m长渐变过渡段。心墙上、下游侧填筑反滤料，心墙上游与坝壳砂砾石料之间填筑两层反滤料，分别为粗砂反滤料厚2.0m、小于50mm级配反滤料2.0m；心墙下游与坝壳砂砾石料之间填筑两层反滤料，分别为粗砂反滤料厚2.0m、小于50mm反滤料3.0m。

下游利用溢洪道、坝肩开挖料填筑粗堆石区[3- 5]，填筑顶高程353.0m。粗堆石料与心墙反滤料间另设一层洞挖石碴过渡料，厚度3.0m；粗堆石料与坝基砂卵砾石层填筑1层反滤料、1层过渡料，反滤料为小于50mm反滤料，厚度1.0m，过渡料为导流洞、泄洪洞洞挖石碴过渡料，厚度1.0m。

2 坝体三维有限元应力变形分析

2.1 计算方法

2.1.1有限元模型

根据实际设计方案和坝址区地形地质条件建立了三维有限元模型。模型包括黏土心墙堆石坝、坝基覆盖层和防渗墙。在防渗墙与土体之间、防渗墙与基岩等接触部位设置了薄层接触单元。整体有限元模型共包含52745个单元和55314个节点。大坝和坝基的整体有限元模型如图1所示。

图1 坝体和坝基整体有限元网格

2.1.2本构模型

在应力变形的计算过程中，土体材料(包括覆盖层和坝体填筑材料)均采用邓肯E-B模型，混凝土防渗墙采用线弹性模型进行计算。

2.1.3计算参数

计算过程中采用的参数见表1。

表1 前坪水库筑坝材料邓肯模型参数

2.2 计算结果

计算分析坐标系采用笛卡儿直角坐标系，以顺坝轴线从左岸到右岸方向为x坐标正向，以顺河向从上游到下游方向为y坐标正向，以沿竖直向从低海拔到高海拔为z坐标正向。

位移竖直表示自坝体相应位置填筑后开始计，至特定时刻的累计变形量。位移正值表示变形指向相应坐标轴正向，负值反之。计算中的应力以压应力为正，拉应力为负。坝体内大小主应力分别按照有效主应力进行整理。

2.2.1竣工期计算结果

竣工期，典型横断面的顺河向位移和沉降量分布如图2、图3所示。竣工期坝体的最大沉降量出现在坝体心墙中部，最大值为1.41m；坝体的顺河向位移基本上以坝轴线呈对称分布，上游堆石区向上游移动，最大值为0.22m，下游堆石区向下游移动，最大值为0.13m。

图2 竣工期典型横断面X=550顺河向水平位移分布(单位：m)

图3 竣工期典型横断面X=550竖向位移分布(单位：m)

图4—6为坝体及坝基的应力分布情况。坝体的大、小主应力极值均出现坝壳底部靠近心墙的位置，大主应力最大值约为1.9MPa，小主应力的最大值约为0.6MPa。竣工期坝体的应力水平整体不大。

图4 竣工期典型横断面X=400大主应力分布(单位：MPa)

图5 竣工期典型横断面X=400小主应力分布(单位：MPa)

图6 竣工期典型横断面X=400应力水平分布

图7—8为竣工期沿坝体轴向剖面计算结果。由结果可知，坝体的顺轴向位移较小，坝体的最大沉降量随覆盖层深度的增加而增加，右岸坝体的沉降值大于左岸坝体，坝体的大小主应力整体较小，心墙底部和覆盖层接触部分应力水平较大。

图7 竣工期沿坝轴线剖面的沉降分布(单位：m)

图8 竣工期沿坝轴线剖面大主应力分布(单位：MPa)

图9—11为防渗墙的应力和变形分布，由结果可知，防渗墙的最大大主应力出现在河谷最深处，数值为6.4MPa；在地形变化处，防渗墙有较大的拉应力；防渗墙的挠度值较小，最大值为0.02m，方向指向上游。

图9 竣工期防渗墙的大主应力分布

图10 竣工期防渗墙的小主应力分布

图11 竣工期防渗墙的挠度分布

2.2.2满蓄期计算结果

满蓄期，典型横断面的顺河向位移和沉降量分布如图12、图13所示。坝体的最大沉降量仍然出现在坝体心墙中部，最大值为1.28m，较竣工期有所减小；受上游库水推力的影响，坝体的顺河向位移变化较大，向下游位移最大值为0.44m，出现在坝体顶部，向上游位移值有所减小，最大值为0.12m，出现在上游坝壳底部靠近坝踵部位。

图12 满蓄期典型横断面X=550顺河向水平位移分布(单位：m)

图13 满蓄期典型横断面X=550竖向位移分布(单位：m)

图14—16为满蓄期坝体及坝基的应力分布情况。坝体的大、小主应力极值均出现在下游坝壳底部靠近心墙的位置，大主应力最大值约为1.7MPa，小主应力的最大值约为0.58MPa，数值大小与竣工期计算结果基本相当，分布趋势有所变化，上游坝壳的主应力值明显减小。满蓄期，由于库水推力的影响，上游坝壳的应力水平整体较大。

图14 满蓄期典型横断面X=400大主应力分布(单位：MPa)

图15 满蓄期典型横断面X=400小主应力分布(单位：MPa)

图16 满蓄期典型横断面X=400应力水平分布

图17—18为满蓄期沿坝体轴向剖面计算结果。由结果可知，坝体的顺轴向位移及沉降的分布与竣工期基本相同，坝体沉降最大值有所减小，顺坝轴线位移有所增加。坝体的大小主应力值较竣工期也有所减小。

图17 满蓄期沿坝轴线剖面的沉降分布(单位：m)

图18 满蓄期沿坝轴线剖面的大主应力分布(单位：MPa)

图19—21为满蓄期防渗墙的应力和变形分布，由结果可知，防渗墙的最大大主应力出现在河谷最深处，数值为5.5MPa；在地形变化处，防渗墙有较大的拉应力；防渗墙的挠度值较竣工期有增加，最大值为0.13m，方向指向下游。

图19 满蓄期防渗墙的大主应力分布

图20 满蓄期防渗墙的小主应力分布

图21 满蓄期防渗墙的挠度分布

2.3 分析结论

表2为前坪水库坝体计算得到的应力变形特征值。

表2 计算结果特征值

2.3.1坝体应力和变形

根据坝体三维计算分析的结果，竣工期，坝体的最大竖向位移为1.41m，占坝高的1.56%，其位置处于河床段坝体心墙中部。从坝体典型横断面看，坝体水平位移基本上相对于坝轴线呈对称分布，上游区位移指向上游侧，下游区位移指向下游侧，指向上游方向的位移最大值为0.22m，指向下游方向的位移最大值为0.13m。竣工期，坝体大主应力的最大值约为1.9MPa，小主应力的最大值约为0.6MPa，主应力最大值的位置均在上下游坝壳底部靠近心墙位置。竣工期，从坝体沿坝轴线方向的水平位移分布看，其总体趋势是岸坡段坝体的位移均指向河谷中央，数值不大。

满蓄期坝体横断面上位移分布的变化较为明显，在上游库水压力的作用下，坝体上游区指向上游的水平位移减小，指向下游区的水平位移增大。受水荷载的作用，坝体的沉降有所减小，满蓄期最大沉降约为1.28m，其最大值位置与竣工期基本相同。

满蓄期坝体大主应力分布与竣工期有较大变化，上游坝壳的大主应力值有所减小，下游坝壳的大主应力值有所增加，坝体大主应力的最大值约为1.7MPa。水库蓄水以后，坝体小主应力值有一定减小，小主应力分布等值线与竣工期相比呈明显的上抬趋势，最大值出现在下游堆石区，数值为0.58MPa。

竣工期坝体大部分区域的应力水平数值均较低，且应力水平分布相对均匀。蓄水后，由于库水推力作用，坝体上游堆石区应力水平较大。

2.3.2防渗墙应力和变形

竣工期防渗墙的最大大主应力出现在河谷最深处，数值为6.4MPa；在地形变化处，防渗墙有较大的拉应力区。防渗墙的主要部分基本都处于受压状态，在一些地形变化处有较小范围的拉应力，在施工中可进行适当处理。

满蓄期防渗墙的挠度值较竣工期有增加，最大值为0.13m，方向指向下游，出现在河谷最深处的防渗墙顶部。

3 结语

前坪水库大坝为黏土心墙砂卵砾石坝，坝基及防渗处理、坝体与坝肩连接，筑坝材料等均为决定大坝是否安全的决定性因素，本文提出了防渗墙局部加深、岸坡梯形槽开挖、砂砾石地基注浆等设计方案，取得了良好的效果。数值模拟计算结果表明：竣工期坝体的最大竖向位移为1.41m，占坝高的1.56%；坝体大部分区域的应力水平数值均较低，且应力水平分布相对均匀；防渗墙的主要部分基本都处于受压状态，在一些地形变化处有较小范围的拉应力，坝体应力和变形分布符合一般规律。证明大坝设计采取的工程措施是经济、合适的。