堆石坝悬挂式防渗墙施工期应力变形数值模拟研究

周志建

(江西省水利水电建设有限公司，江西 南昌 330209)

1 工程背景

某水电站为径流式水电站，总装机容量为24400kW。水电工程设计库容为1780万m3，大坝为混凝土面板堆石坝设计，设计坝高为56.0m，坝顶宽为10.0m，上游坝坡坡比为1∶1.4。大坝主要是通过上下游面板和混凝土防渗墙防渗，其中大坝坝基部位的透水底层采用悬挂式防渗墙，具体设计参数为：防渗墙厚度为1.0m，深度为82m，采用C30混凝土浇筑。在坝基防渗墙下游范围内设置厚度为1.0m的反滤层，主堆料区域反滤层之间设置厚度为1.0m的过滤层。该水电站位于河谷地带。鉴于大坝部位的覆盖层厚度较大，如果采用全封闭防渗墙，不仅工程投资将明显增大，也会面临较大的施工困难，因此采用悬挂式防渗墙设计。由于防渗墙的底部并没有深入到基岩内部，大坝建成期间防渗墙与两侧的土体变形存在不协调问题，因此会对墙体受力造成不利影响[2]。为确保水电站建成后的稳定性，对工程中的悬挂式防渗墙运行条件下的应力变形进行分析就显得尤为重要[1]。

2 有限元计算模型

2.1 计算模型的构建

由于该水电站的坝址位于河谷地带，坝基部位的覆盖层厚度较大，且具有十分复杂的层次结构，从基岩向上依次可以划分为7个厚度不同的层次结构。其中，分布在顶部的第7层结构为淤泥质土层，在施工过程中需要进行振冲置换处理。由于大坝坝基左岸与右岸的高程相差较大，两个部位的坝体高度也存在较大差距，同时两岸的坝基覆盖层在结构方面也存在明显的差别，因此，研究中分别选取左岸和右岸覆盖层厚度最大的0+124m断面和0+356m断面作为典型断面进行研究。为了简化计算过程，模型构建过程中对大坝坝体、覆盖层结构的分区和材料进行适当简化，具体的计算材料分为防渗墙、基岩、大坝坝壳的I1区和I2区、压重平台、大坝上下游马道，鉴于覆盖层第3层厚度较小，建模过程中不予考虑[3]。

结合相关研究经验确定大坝防渗墙的计算区域为：上游计算边界为大坝上游坡脚向上游方向延伸2倍坝高；下游则从压重平台末端算起，向下游方向延伸1倍坝高。鉴于大坝坝基的覆盖层厚度较大，计算区域需要向下选取一定的基岩厚度。结合相关研究结论，在基岩表面向下延伸1倍坝高作为模型计算的竖向边界[4]。研究中以指向下游的方向为X轴正方向，以坝轴线指向左岸的方向为Y轴正方向；以竖直向上的方向为Z轴的正方向。计算过程中Y方向固定。为了保证模型能够对防渗墙的真实工作状态进行模拟，对模型防渗墙沿着厚度方向进行了5层网格划分，在防渗墙与周围覆盖层接触的表面部位设置无厚度网格单元[5]。由于防渗墙与基岩的力学属性比较接近，研究中采用线弹性本构模型，覆盖层与堆石料则采用Mohr-Coulomb模型，对模型采用四边形网格单元进行划分[6]。其中，0+086m断面最终获得34687个计算单元、38676个计算节点，0+154m断面最终获得32366个计算单元、35863个计算节点，模型的网格划分示意图分别如图1、图2所示。

图1 0+086m断面有限元模型示意图

图2 0+154m断面有限元模型示意图

2.2 计算参数

模型材料的物理力学参数对计算结果的准确性具有重要影响，研究中结合项目实施过程中的地质调查数据资料，同时结合采样实验结果，确定了模型材料物理力学参数[7]，见表1。结合计算的目的和要求以及水电站大坝的实际情况，计算过程中考虑的主要荷载为大坝坝体和坝基的自重[8]。

表1 模型材料物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 防渗墙变形特征分析

研究中利用上节构建的有限元数值计算模型，对水电站施工完建期的防渗墙在各种荷载作用下的两个典型断面的水平位移和沉降位移分布进行计算，结果如图3、图4所示。由此可知，由于大坝的防渗墙为悬挂式防渗墙设计，墙体并没有深入到坝基的基岩之中，因此在荷载的作用下，防渗墙的底部也产生了一定的位移变形。同时，由于防渗墙先施工，随着坝体高度的增加，坝体堆石体自重荷载会向坝基部位传递和扩散，进而造成防渗墙在侧向土体压力的作用下产生变形。从两个典型断面的对比来看，0+124m断面的整体位移变形较大，0+356m断面的整体变形较小。其中，最大水平位移量为187mm，位于防渗墙墙体的中部；最大沉降变形量约185mm，位于墙体的顶部。从位移变形的纵向分布规律来看，两个断面的分布特征比较相似，都表现为墙体中部的水平位移量较大，而顶部的沉降变形较大，这说明防渗墙的受力以压力为主。

图3 0+124m断面位移分布计算结果

图4 0+356m断面位移分布计算结果

3.2 墙体受力特征分析

研究中利用上节构建的有限元数值计算模型，对水电站施工期间防渗墙在各种荷载作用下两个典型断面下游侧应力分布进行计算，结果图5、图6所示。由计算结果可知，防渗墙墙体在两个断面的最大主应力均表现为压应力，从竖向受力结果来看，在墙体顶部的部分区域存在一定的拉应力。但是，随着深度的不断增加，拉应力值不断减小，最终转变为压应力，并随着深度的增加而增大，仅在墙体底部有所减小。相对而言，0+124m断面的应力值较大，0+356m断面的应力值较小。最大主应力值出现为0+124m断面底部附近，为7.68MPa，这一数值远小于C30混凝土的强度设计值，因此不会产生破坏。墙体顶部的应力值较小，深部的应力值较大，而0+154m断面的顶部仍存在一定范围的受拉区域，拉应力最大值为1.58MPa，0+356m断面则存在范围相对较大的拉应力分布区域。因此，该部位的防渗墙有发生拉裂破坏的危险。所以，应该关注该断面所在区域防渗墙的上部，如果发现墙体存在裂缝应该及时采取修补措施。

图5 0+124m断面应力计算结果

图6 0+356m断面应力计算结果

4 结论

文章利用数值模拟的方法，对悬挂式防渗墙在施工完工期的力学及变形特征进行了研究。

(1)在施工完工期，防渗墙呈现出整体向下游变形的特点，都表现为墙体中部的水平位移量较大，而顶部的沉降变形较大，说明防渗墙的受力以压力为主；由于防渗墙的底部没有深入基岩，底部的支撑作用较弱，因此在运行之后会产生一定的沉降变形，最大沉降变形量约185mm。

(2)在施工完工期，防渗墙压应力的最大值为7.68MPa，小于C30混凝土的强度设计值，不会产生破坏；0+154m断面的顶部存在一定范围的受拉区域，压应力最大值为1.58MPa，0+356m断面则存在范围相对较大的拉应力分布区域，有发生拉裂破坏的危险，建议关注该断面所在区域防渗墙上部，如果发现墙体存在裂缝应该及时采取修补措施。