基于地基水力耦合效应的关门山水库大坝防渗墙塑性损伤分析

(桓仁满族自治县水库移民开发局，辽宁 桓仁 117200)

防渗墙是面板堆石坝的重要结构，大坝在建设和运行期间，其地基和防渗墙会受到重力和水压的双重作用的综合影响，从而产生不同程度的变形，甚至可能发生塑性变形导致开裂。同时，部分工程实例也显示，大坝防渗墙存在这种塑性损伤的可能[1]。防渗墙开裂会对大坝的防渗效果产生明显的不利影响。Rice与Dunca研究显示，即使小于1mm的防渗墙裂缝，也会导致其渗透系数增加若干个数量级[2]。因此，探求大坝防渗墙的力学特征，对面板堆石坝的防渗墙设计与质量评价具有重要意义。目前，在防渗墙力学特征的数值模拟研究领域，大多学者采用的是线性弹性模型，但是防渗墙的混凝土结构只有在荷载较小的情况下才能呈现出上述关系[3]。基于上述认识，Yu等采用混凝土塑性损伤模型研究了防渗墙的损伤规律，认为上游防渗结构更容易发生开裂破坏[4]。但是，该领域的研究一般将应力施加在防渗墙的表面，而没有考虑渗流效应，也就是水力耦合效应对防渗墙可能产生的影响[5]。此外，既往的研究主要针对心墙坝以及斜心墙坝型，较少开展对上游地基的面板堆石坝研究。因此，本文试图通过构建基于地基水力耦合模型，对面板堆石坝防渗墙的塑性损伤展开数值模拟研究。

1 工程概况

关门山水库位于辽宁省本溪市境内太子河的一级支流小汤河中游，水库坝址距本溪县政府所在地约25km。水库的控制流域面积为176.77km2，水库正常蓄水位为172.00m，设计洪水标准100年一遇，校核洪水标准2000年一遇，关山水库由混凝土面板堆石坝、河岸式溢洪道、泄洪输水洞、电站组成，水库工程等别为Ⅲ等，永久性水工建筑物级别为3级，总库容7661万m3，是一座以工农业供水为主，兼有防洪、发电、水产养殖及旅游等综合利用的中型水库[6]。

关山水库面板堆石坝的地基覆盖层较厚，自上而下可以分为砂砾石夹砾石、砂砾石、砂砾石夹块砾石等三层，总厚度为40～45m，下部为新鲜基岩，没有大规模的断层与强风化区域，地基环境比较理想。通过对大坝基底覆盖层的物理力学特征分析，具有孔隙率较大和剪切强度高的特点，总体渗透性较强。为了控制地基渗流，大坝在地基覆盖层中设置了一道长121m、总面积约2900m2的槽孔型混凝土防渗墙，并深入地基基岩1.20m。防渗墙采用C30混凝土分段浇筑施工，设计轴向抗压强度为30MPa，轴向抗拉强度为2.01MPa。大坝在建设运行过程中设置了监测系统，在大坝地基中安装有电磁沉降计、水平位移计以及渗压计等，在防渗墙中安装有测斜计、应变计以及土压力计等，可以为大坝防渗墙变形研究提供必要的实测数据。

2 计算模型的构建

2.1 计算原理

关山水库大坝防渗墙的实测结果显示，墙体分布有较大的拉应力，可能诱发一定的塑性损伤。本次研究拟采用Lee和Fevens提出的塑性损伤模型对关山水库大坝防渗墙的力学特征进行模拟[7]。由于该模型在混凝土面板堆石坝损伤的有限元分析中具有良好的运用效果，但是并没有被用于防渗墙损伤分析的例子。因此，利用已有的单轴拉伸和压缩荷载试验对模型的合理性进行验证，结果显示具有良好的吻合度。

显然，大坝地基覆盖层与混凝土防渗墙之间存在着比较强烈的接触效应，并直接影响到防渗墙本身的受力特点与力学特性，在研究中必须要对上述接触效应进行模拟。因此，本次研究利用Adina的无厚度摩擦接触方法对上述接触效应进行模拟[8]。由于该方法中的结构与土体单元之间可以自由滑动，而不必受到网格的约束，因此可以对地基覆盖层与混凝土防渗墙之间的不均匀变形进行良好模拟。由于实践数据比较缺乏，本次模拟研究中根据已有研究和相关经验确定接触参数，其中摩擦系数取0.20，接触容差取0.50mm。

对防渗墙力学特征进行有限元计算，需要对大坝的施工以及蓄水过程进行比较完整的模拟。为了考虑水力耦合对防渗墙的影响，研究中采取Chen等提出的水力耦合效应的分析方法，进行基于地基水力耦合效应的关门山水库大坝防渗墙塑性损伤模型的构建。目前，该方法已经应用于多个面板堆石坝深厚覆盖层地基的水力耦合分析，并取得了良好的模拟效果。在水力耦合过程中，采用自适应惩罚Heaviside函数的变分不等式方法进行防渗墙渗流过程的自由面与逸出点的确定；防渗墙的渗透性变化则采用改进的Kozeny-Carman方程描述，模型采用迭代法进行耦合过程的求解，直至满足收敛条件。

2.2 模型的构建

利用UG三维有限元软件进行关山水库大坝地基防渗墙的模型构建。为了更准确反映防渗墙的力学特点，沿防渗墙的厚度方向划分5排单元，所有的单元均采用空间8节点的等参单元模拟。最终，模型划分为44657个单元、48825个节点，其中防渗墙划分为6351个单元。模型的底部和两侧施加相应的法向约束，同时设置为不透水边界，上游水位以下的坝面根据实际水位波动特征施加水头，其余的边界施加满足Signorini互补条件的潜在渗流边界条件。

3 计算结果与分析

3.1 防渗墙应力分析

对大坝防渗墙上游面和下游面三条测线上的垂直应力值进行计算(见图1)。由计算结果可知，在大坝竣工期，上游面在垂直方向上呈现出压缩特征，垂直应力由防渗墙的底部至顶部逐渐增加；在蓄水阶段，防渗墙上游面的垂直应力显著减小，并在底部和两岸部位呈现出一定的拉应力，最大垂直压应力为15MPa，最大垂直拉应力为1.60MPa。整体而言，防渗墙上部的垂直应力计算结果与实测结果的吻合度较好，下部的计算结果略小于实测结果，究其原因，主要是由计算模型的地质条件概化以及本构模型的不足等局限性造成的。此外，考虑水力耦合效应的计算结果要显著大于未考虑的结果，在蓄水完成情况下，上游面和下游面两者之间的差异分别为5MPa和0.80MPa，说明计算过程中考虑水力耦合效应是十分必要的。

图1 防渗墙上游面和下游面垂直应力值计算结果

对大坝防渗墙的大小主应力分布进行计算(见图2)。由计算结果可知，在大坝施工阶段，防渗墙的上游面主要受压应力影响，但是在下游面的底部和两岸部分部位存在一些拉应力作用区，最大压应力值为20MPa，最大拉应力值为1.9MPa。从最大主应力值上看，并没有超过防渗墙材料的抗压和抗拉强度；在水库蓄水完成后，防渗墙的上游面底部和两岸部位也出现了拉应力，上游面的最大压应力值为22MPa，最大拉应力值为2MPa。由此可见，防渗墙在应力作用下的最危险断面位于靠近两岸的部位，由于受到侧土压力和水荷载的共同影响，主要呈现出弯曲效应。

图2 大坝防渗墙的主应力分布计算结果

为了比较塑性损伤模型与线弹性损伤模型在防渗墙应力损伤研究中的实用性，对两种模型下主应力分布进行计算(见图3)。由计算结果可知，采用线弹性模型计算时，防渗墙的拉应力值明显偏大，竣工期和蓄水期的最大拉应力值均大于3MPa，已经超过材料的抗拉强度，显然，实际中并没有这么大的拉应力值。另一方面，采用塑性损伤模型计算的最大主应力均超过抗拉强度，可以合理解释应力释放与重新分配，因此，塑性损伤模型的计算结果更为合理。

图3 塑性损伤模型与线弹性损伤模型计算结果对比

3.2 防渗墙塑性损伤分析

上述计算结果显示，关山水库大坝防渗墙的最大压应力值小于墙体材料的抗压强度，因此，防渗墙的压应力对墙体的安全性影响不大。利用计算模型对可能产生的开裂与拉伸损伤进行分析，对损伤变量进行计算，并获得由其表征的防渗墙拉伸损伤分布特征(见图4)。由计算结果可知，大坝防渗墙拉伸损伤主要出现在防渗墙下游面靠近底部以及两岸的部位；在水库蓄水后，受到水荷载的作用，防渗墙的拉伸损伤主要出现在防渗墙上游面的底部以及靠近两岸的部位。总体而言，水库蓄水后的防渗墙拉伸损伤比竣工期更为严重，但是单元最大损伤变量均小于0.80，因此，不会发生开裂。

图4 防渗墙拉伸损伤分布计算结果

4 结 论

本文以辽宁省关山水库大坝防渗墙为例，结合实测数据和模型计算成果，对面板堆石坝地基防渗墙的力学和损伤特征进行研究。

结论如下：与传统的线弹性模型相比，塑性损伤模型能够对面板堆石坝防渗墙的力学特征进行更好地描述，也可以用于心墙、斜墙等类似坝型的力学特征模拟和分析；在考虑水力耦合效应条件下，防渗墙主要呈现出弯曲效应，但关山水库防渗墙应力变形处于合理范围，不会产生开裂现象；水力耦合效应给防渗墙带来较大的拉应力和变形，而地基变形有助于减少上述变形和应力，改善应力状态。