基于ABAQUS的沥青混凝土心墙与基座连接型式研究

彭兆轩，柳 莹，李 江

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

20世纪70年代，沥青混凝土防渗技术在新疆水利工程建设中拉开崭新的序幕，90年代以后沥青质量得到了显著的提高[1]。在“北克南库”(北疆为克拉玛依沥青，南疆为库车沥青)分布格局的背景下，沥青混凝土心墙坝因其自身适应各类地形地质条件、防渗性能好、抗震能力强、取材方便、气候条件影响小等诸多优点，目前正在如火如荼的建设中，在新疆山区水库建设中稳居第一。许多学者对沥青心墙坝进行了大量而深入的研究。汪洋以库什塔依水电站为例，分析了沥青混凝土心墙坝冬季施工工艺，缩短了施工工期，提前发挥了电站的经济效益[2]。杨超等人研究了不同河谷形状对沥青心墙坝的影响，河谷宽度会直接影响心墙底部拱效应的大小，河谷两侧陡缓将影响坝体拉应力范围和量值[3]。王建祥、吴海林及吴俊杰等人通过有限元计算，分析了沥青心墙发生水利劈裂的可能性大小[4- 6]。陈松、李艳波及刘玉杰等人以某工程为例，计算并分析了沥青混凝土心墙坝的应力应变状态以及渗透稳定性等[7- 9]。朱晟和伍小玉等人分析了黄金坪水电站深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝坝基的防渗型式，考虑廊道在中的布置方式，研究了廊道不同尺寸下坝体的应力应变状态，适当减小廊道尺寸后，可改善其应力条件，但心墙的竖向位移会略微增大[10- 11]。赵一新等人以新疆下板地沥青心墙坝为典型案例，分析了坝基廊道在竣工期和运行期的应力应变状态，结果表明两阶段在廊道顶部均出现应力集中现象，运行期时顶部可能会产生恶破坏[12]。

通过对近年来有关沥青心墙坝研究成果的梳理，不难发现，大多都是研究沥青心墙坝的施工工艺、发生水利劈裂的可能性以及大坝整体的静动力分析，而对于心墙底部是否设置连接廊道的问题研究甚少。虽然有部分学者研究了心墙底部廊道的应力变形状态，但都是廊道在中的布置方式。沥青心墙与坝基防渗体之间的连接型式分为无廊道方案、廊道在中方案和廊道在侧方案3种。本文通过ABAQUS有限元分析软件，结合新疆某具体工程实例，计算并分析了廊道在侧的布置型式下廊道自身及坝体的应力应变规律。

1 工程概况

尼雅水利枢纽工程位于尼雅河中上游河段，新疆维吾尔自治区和田地区民丰县境内，枢纽区东距乌鲁木齐市1300km，西距和田市390km，北距民丰县90km，枢纽区距下游G315国道70km。尼雅水利枢纽工程是尼雅河流域规划推荐的一期重点工程，具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能。水库总库容4069万m3，正常蓄水位2663m，死水位2615m，控制灌溉面积10万亩，电站装机容量6000kW，多年平均发电量1827万kW·h，属Ⅲ等中型工程。枢纽工程由拦河坝、左岸溢洪洞、右岸泄洪冲沙洞、发电引水系统等组成。大坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，最大坝高131.8m。沥青混凝土心墙厚度基本按照坝高的1/100设计，心墙顶宽0.6m，采用变台阶式设计，按高程加厚，底部采用放大基础与混凝土基座相连，底宽1.4m。沥青混凝土心墙的基本要求：要有一定的强度又要有一定的柔性，渗透系数不大于1×10-7，碾压后的沥青混凝土孔隙率不大于3%，碾压后的容重控制在2.4g/cm3。

2 有限元计算

2.1 计算模型及边界条件

针对尼雅水利枢纽坝址河床部位的地形地质情况，采用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行大坝三维有限元计算分析，选取大坝典型横剖面，沿厚度方向拉伸20m。根据一般工程经验及本工程实际地质条件，有限元模型地基深度及上下游长度均为最大坝高的1.5倍，网格类型基本为六面体单元，局部采用四面体单元过度，共232870个单元，254248个节点。本次计算选用笛卡尔直角坐标系，X向为顺河向，从上游指向下游为正；Y向为竖向，沿坝高方向从下向上为正；Z向为坝轴向，从左岸指向右岸为正。地基上游侧和下游侧分别施加法向约束，底部施加固定约束，即固定支座。

2.2 计算假定与边界条件

在进行有限元模型数值分析时，通常有如下假定：各材料的密度、弹模以及泊松比等为各项同性；混凝土、弱风化岩以及微风化岩按照线弹性模型来考虑；坝体与地基的接触作用通过弹塑性模型模拟。地基上游侧和下游侧分别施加法向约束，底部施加固定约束，即固定支座。

2.3 本构模型及参数

沥青混凝土心墙坝坝体填筑分区从上游至下游分为上游爆破料填筑区、上游砂砾料填筑区、上游过渡层区、沥青砼心墙、下游过渡层区、下游砂砾料填筑区、下游爆破料填筑区。通过大量工程材料试验表明，爆破料、砂砾料、过渡料以及心墙均呈现出非线性的应力应变特性，邓肯-张本构模型和南水模型虽然均能较好地模拟其力学特性，但邓肯张模型计算结果偏于保守。本工程坝高131.8m，心墙高度132.9m，属于全国心墙最高坝，考虑到工程安全性，采用邓肯-张E-B非线性弹性本构模型，而对于混凝土基座、帷幕灌浆及地基岩体则采用线弹性模型进行模拟。以施工期为例，分18步逐层填筑至坝顶。坝体各分区材料以及坝基岩体参数见表1—2。由于坝体与地基岩石材料性质差异很大，如单纯地考虑绑定约束，则计算结果一般情况下偏于安全，不能真正反映应力与位移之间的关系。因此，对于坝体与地基的接触面，通过无厚度Goodman接触单元进行模拟，可真实地反映二者之间的不连续变形特性，接触模型参数根据类似工程经验选取，具体参数取值详见表3。

表1 沥青混凝土心墙坝有限元计算邓肯-张E-B本构材料参数

表2 沥青混凝土心墙坝有限元计算线弹性材料参数

表3 Goodman接触面模型参数

3 计算结果分析

通过多年实践经验总结，针对不同深度覆盖层材料特性，提出了不同的防渗型式。对于浅深(小于20m)覆盖层，采用挖除置换的方式进行处理；中深(20～50m)覆盖层，以防渗墙全断面防渗为主；超深(大于50m)覆盖层，逐渐采用以防渗墙为主、墙幕结合的防渗体系，坝基防渗效果显著提升。沥青混凝土心墙与基础防渗体之间的连接型式是制约沥青心墙坝防渗效果的重要因素之一，是否设置连接廊道成为当前具有争议的话题。由于心墙设置在坝体内部，不易监测与检修，如发生渗漏则处理较为困难。因此，早期的百米级沥青心墙坝均考虑设置底部灌浆廊道，一是方便灌浆施工，二是便于检修。如20世纪90年代建设的茅坪溪水库和冶勒水电站心墙与基础防渗之间采用了廊道居中的连接型式；21世纪初，在新疆下坂地水库建设中，采用了廊道在侧的连接型式。随着在深厚覆盖层上修建沥青心墙坝的工程增多，如采用悬挂式防渗墙、混凝土廊道和沥青混凝土心墙共同组成大坝的防渗体系时，从应力和变形方面考虑，随着廊道尺寸的增加，对防渗墙、廊道、心墙的受力条件不利，同时运行的可靠性也会降低。以尼雅水利枢纽工程为例，通过ABAQUS有限元软件模拟坝体的施工过程，并对有无廊道2种方法进行了对比研究，坝体最大断面竖直向位移如图1所示。图中“+”在位移图中表示与该坐标轴指向一致，在应力图中表示为拉应力；“-” 位移图中表示与该坐标轴指向一致，在应力图中表示为压应力。

图1 坝体竖直向位移云图(单位：m)

图1反映了有无廊道2种防渗连接型式下，坝体的竖向位移。从图1可以看出，2个连接方案计算出来的坝体沉降规律基本一致，最大沉降量为0.64m，约占坝高的0.48%，发生在坝体中心，距坝顶1/2的位置，符合坝体变形一般规律。由于隧洞尺寸相对于整个坝体来说非常小，无论是从大坝位移云图还是应力云图均无法直观地观察两方案下的差异性。因此，可通过ABAQUS显示与隐藏功能，显示坝体结构某部分的应力云图。沥青混凝土心墙的大小主应力如图2—3所示，基座和廊道的大小主应力如图4—5所示，帷幕灌浆的大小主应力如图6—7所示。

通过图2—3可以看出，沥青混凝心墙以受压为主且压应力随着心墙高程的降低而呈现出逐渐增大的趋势。坝顶处的心墙受到的压应力最小，无廊道方案大主应力82.86kPa、小主应力255.0kPa，有廊道方案大主应力81.48 kPa、小主应力254.6kPa；心墙底部基座附近受到的压应力最大，无廊道方案大主应力1500kPa、小主应力1995kPa，有廊道方案大主应力1117kPa、小主应力1755kPa。从心墙应力分布规律不难发现，采用有廊道方案时，心墙受到的压应力比无廊道方案小，产生这一现象的原因可能是设置廊道后，心墙受到的压应力部分传递到廊道上，由廊道和心墙共同承担。这样虽然改善了心墙的应力状态，但廊道的应力条件可能会进一步恶化。

图2 沥青混凝土心墙大主应力云图(单位：kPa)

图3 沥青混凝土心墙小主应力云图(单位:kPa)

从图4中可以看出，两种连接方案下基座大主应力均以拉应力为主。采用无廊道方案时，混凝土基座受到的最大拉应力为3335kPa，发生在基座与帷幕灌浆的接触面上，在大坝竣工期或运行期均有可能发生拉裂破坏，所以在对混凝土基座结构设计时，应适当地考虑设置钢筋；最大压应力为528.7kPa，发生在心墙与基座连接的接触面上以及混凝土基座两侧底部。采用有廊道方案时，最大拉应力为4855kPa，发生在廊道顶部且出现应力集中现象，比无廊道方案最大拉应力大了1520kPa，将近是无廊道方案的145.6%。由此可见，设置廊道后，拉应力增幅显著，顶拱处极易造成拉裂破坏，即使设置钢筋等防护措施也难保结构安全，新疆下板地水库设置廊道后，水库在运行期发现廊道拉裂破坏，出现严重扭曲、渗漏破坏。

图4 基座或廊道大主应力云图(单位:kPa)

从图5中可以看出，两种防渗连接型式下，廊道和基座小主应力均为压应力。无廊道方案最大压应力为5925kPa，发生在心墙与混凝土基座连接处，基座两侧压应力较小；有廊道方案最大压应力为16070kPa，发生在廊道顶拱内表面。通过两方案对比，明显看出，有廊道方案应力增加较多，最大压应力竟增加了171%，应力条件较差，而取消廊道后，无论拉应力和压应力均有所减小，改善了基座领域应力应变状态。

图5 基座或廊道小主应力云图(单位:kPa)

由图6—7可知，不同的防渗连接型式下，帷幕灌浆的大小主应力分布规律且均以压应力为主。采用无廊道方案时，帷幕大主应力从上至下呈现出先增大后减小的变化趋势，最大压应力为172.7kPa，出现在帷幕中上部；小主应力分布的规律性没有大主应力明显，但应力较大的部分主要集中在帷幕与基座连接的接触面上，最大压应力可达522.5kPa。采用有廊道方案时，大主应力分布规律与无廊道方案类似，帷幕中上部的压应力最大，为183.9kPa；小主应力最大压应力出现在帷幕顶部偏左的位置，大小为557.1kPa。产生这一现象的原因，是由于本方案采用的是廊道在侧，心墙在廊道偏左的位置，造成压应力传导在帷幕顶部左侧。从以上应力分布规律不难发现，设置廊道后，帷幕所受的大小主应力均大于无廊道方案。

施工期有无廊道方案下坝体各部位应力极值见表4。

从表4汇总结果可直观地发现，当设置廊道时，最大压应力为1959 kPa，出现在廊道两侧和底部；最大拉应力达到4855 kPa，出现在廊道顶拱部位，极易造成廊道拉裂破坏，不利于坝体安全运行及防渗要求。当取消廊道后，基座的最大拉应力和最大压应力较有廊道方案均有减小，其应力值分别为3335 、528.7 kPa，采用沥青心墙与混凝土基座直接相连，防渗结构简单，改善了基座领域的应力应变条件，减小了大坝的安全隐患。沥青心墙和帷幕主要承受压应力，有廊道方案沥青心墙的大小主应力极值比无廊道方案略有减小，但其相差不大；有廊道方案帷幕的大小主应力极值分别为183.9、557.1 kPa，而无廊道方案中帷幕的大小主应力极值分别为172.7 、522.5 kPa，由此可见取消廊道也可改善帷幕的受力条件。设置廊道时便于灌浆施工、干扰少，基础出现问题便于检修，但是廊道容易出现大变形、易开裂、渗水等情况。对于是否设置连接廊道，至今还没有明确的定论，仍需根据工程实际情况做充分的考虑。

图6 帷幕大主应力云图(单位:kPa)

图7 帷幕小主应力云图(单位:kPa)

表4 施工期有无廊道方案下坝体各部位应力极值 单位：kPa

4 结论

采用无廊道连接方案虽不便于心墙检修，但可改善基座邻域的受力条件，有利于坝体结构安全，而设置廊道连接时，则极有可能会引发廊道顶拱拉裂破坏，造成水库大坝运行期产生严重的渗漏问题，危及大坝稳定。因此，设置连接廊道方案是弊大于利，具体水库工程也需因地制宜，综合考虑。本文计算时只考虑了廊道在侧的连接方案，并未统筹考虑无廊道、廊道在中、廊道在侧以及廊道尺寸大小等对坝体、心墙、基座、防渗墙等的影响情况，今后仍需做进一步的研究。