金佛山面板堆石坝渗流特性及静力有限元分析

徐家始，卓莉，谢红强*，肖明砾

(1.重庆市金佛山水利水电开发有限公司，重庆，401336；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水利水电学院，成都，610065)

1 引言

混凝土面板堆石坝的经济适用性、施工效率、结构稳定性、安全可靠度以及抗震性能较好，从勘察、设计以及施工运行全过程均表现出巨大的优越性，已成为现阶段颇具竞争力且使用广泛的实用坝型之一[1]。我国在20世纪80年代开始采用碾压式的混凝土面板堆石坝，经过近40年的发展，在设计和施工方面都积累了丰富的经验，随着研究的深入，在堆石坝理论研究、分析方法以及安全监测等方面都取得了大量的成果[2]。

堆石体作为面板坝结构的主体，其变形控制和坝体变形协调成为大坝结构安全的决定性因素[3-5]，坝体的应力应变分析是面板堆石坝设计工作中必不可少的一部分，对设计和施工具有重要的指导意义[6-7]。为全面快速地评价大坝设计合理性，数值模拟成为了分析坝体变形应力规律的有效手段。因此，本文结合金佛山面板堆石坝坝区地质水文资料及设计方案，开展典型剖面的坝体及地基的有限元模拟。揭示坝体-坝基的渗流特性和坝体静力结构特性，为渗控措施有效性及坝体安全稳定性评价提供科学依据。

2 工程概况及模型

2.1 工程概况

金佛山水利工程是以灌溉、供水为主，兼顾发电等综合利用的水利工程。坝址以上控制集雨面积为180.8km2，水库总库容1.01亿m3，拦河坝坝型为混凝土面板堆石坝，设计坝顶高程839.80m，坝顶宽9.0m，最大坝高109.80m，坝顶轴线长298.20m。堆石坝上下游边坡均采用1∶1.4。坝体典型断面如图1所示，根据水库调洪演算，正常蓄水位坝前水位为836m，下游水位为738.9m。

坝体从上游向下游依次分为：盖重区、上游粘土铺盖区、垫层区、特殊垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、排水堆石区。坝体垫层料、过渡料、主堆石采用甑子岩灰岩料；次堆石区主要采用甑子岩灰岩料以及大坝泄洪放空建筑、左岸近坝库岸边坡开挖的小河坝组新鲜及风化石英粉砂岩开挖料和页岩料；坝体填筑材料不足部分采用猫千沟堆料场材料。

图1 大坝典型断面

2.2 典型剖面有限元模型

针对坝体区域的地形地质条件，结合坝体结构与地基空间相对位置，沿坝轴线选取2个典型剖面进行有限元计算，分别为坝体最大剖面5-5剖面(坝X0+050)、建基面起伏较大剖面9-9剖面(坝X0+190)，如图2、图3所示。

图2 坝体最大剖面(5-5剖面)有限元计算模型

图3 建基面起伏较大剖面(9-9剖面)有限元计算模型

有限元计算模型建立时充分考虑坝体的各渗透分区及填筑材料分区界限。整个计算域采用空间八节点等参单元进行离散(局部考虑材料介质过渡和地形变化等因素退化为三棱柱和四面体单元)，整个计算模型根据地层及坝体分区分为多个材料区域。

2.3 材料力学参数

坝体垫层料、过渡料、主堆石采用甑子岩灰岩料；次堆石区主要采用甑子岩灰岩料、大坝泄洪放空建筑、左岸近坝库岸边坡开挖的小河坝组新鲜及风化石英粉砂岩开挖料和页岩料；795m高程以上坝体筑坝材料采用猫千沟堆料场材料。根据地勘提供的参数建议值以及填筑材料试验研究确定各分区材料的计算力学参数，详见表1-表3。

表1 混凝土面板及基岩力学参数

表2 坝体主要材料渗透系数参数取值

表3 坝体及地基材料的邓肯-张(E-B)模型参数

3 坝体及坝基渗流特性研究

为准确反应水库蓄水期坝体和坝基渗透特性，以及渗流对坝体的影响，在分析坝址区地形、地质、水文以及坝体结构渗透特性的基础上，基于ANSYS计算软件对坝体渗流开展分析。

图4、图5分别给出了不同坝体及地基典型剖面在正常蓄水工况下的压力水头等值线图。由浸润线可以看出，坝体的渗透压力在面板和防渗帷幕部位急剧下降，坝体填筑材料基本处于浸润线以上，有利于坝体的稳定，下游溢出点高程与下游河床基本齐平。

图4 正常蓄水条件下5-5剖面渗透压力等值线

图5 正常蓄水条件下9-9剖面渗透压力等值线

表4给出了不同剖面面板、防渗帷幕及地基在正常蓄水条件下的渗流量。在正常蓄水条件下坝址区柏枝溪响水河段(河床平均宽度36m)的多年平均流量为4.14m3/s，从表中可以看出各剖面的总渗漏量与来流量的比值极小，面板和防渗帷幕的防渗性较好，通过地基(基岩)产生的渗流约占总渗流量的85.53%、72.53%。

表4 正常蓄水条件下坝体及地基的渗流量统计

图6给出了不同剖面在正常蓄水工况下地基的渗透比降等值线分布图。从图中可知，5-5剖面、9-9剖面地基的渗透比降最大值出现在高高程防渗帷幕区域，分别为0.80、0.36，均小于强风化基岩的允许渗透比降5，地基不会发生渗透破坏。

(a)5-5剖面

(b)9-9剖面

表5给出了面板及防渗帷幕特征部位的渗透比降值。从表中可知，在正常蓄水条件下面板的渗透比降极值出现在面板上部水位线区域，5-5剖面、9-9剖面的比降极值分别为141.32、138.24，均小于面板堆石坝面板控制坡降200。防渗帷幕的渗透比降量值均较小，最大值出现在防渗帷幕顶部，5-5剖面、9-9剖面防渗帷幕渗透比降极值分别为5.06、1.21，远小于防渗帷幕的允许坡降50，不会发生渗透破坏。

表5 正常蓄水条件下面板及防渗帷幕特征部位的渗透比降

4 坝体堆石体变形及应力特性分析

4.1 坝体堆石体位移分析

图7、图8给出了不同剖面完建期坝体位移等值线图。从图中可以看出不同剖面坝体的沉降规律基本一致，坝体铅直向位移以沉降为主，极值发生在坝体中部，但由于不同剖面建基面高程、形态以及坝体填筑高度不同，铅直向位移的量值不同。9-9剖面建基面整体高程较高，其铅直向沉降较小。5-5剖面、9-9剖面的最大沉降值分别为-46cm、-25cm。

(a)坝体施工期顺河向位移(cm)

(b)坝体施工期铅直向位移(cm)

(a)坝体施工期顺河向位移(cm)

(b)坝体施工期铅直向位移(cm)

顺河向位移以坝轴线为中线，坝轴线上游侧坝体顺河向位移主要向上游变形，坝轴线下游侧顺河向位移主要向下游变形。受坝体分层填筑影响，坝轴线上游侧及下游侧顺河向位移的极值均出现在坝体中部高程。5-5剖面处于河谷中心，建基面高程变化幅度较小，但因下游侧受次堆石填筑材料影响，下游侧坝体的顺河向位移较上游侧大，上游侧坝体和下游侧坝体顺河向位移分别为-2.5cm、4.5cm；9-9剖面受建基面起伏影响，上游侧的填筑高度较下游侧大，上游侧坝体和下游侧坝体顺河向位移分别为-7.0cm、5.0cm，受坝轴线部位建基面的抬升，位移极值出现部位较5-5剖面位移极值向上、下游坝面移动。

图9、图10给出了运行期坝体位移的分布规律。从图中可以看出运行期坝体的位移受上游水荷载的影响较大，铅直向位移分布规律与完建期基本相同，量值有所增加；顺河向位移分布规律及量值较完建期均出现较大差异。铅直向位移以沉降为主，极大值出现在坝体中部，5-5剖面、9-9剖面的最大沉降值分别为-50cm、-28cm，较完建期的沉降变形分别增大4cm、5cm。顺河向位移受上游水推力作用，坝体整体向下游变形，5-5剖面坝体顺河向位移极值出现在上游坝面中部高程，约为18.0cm；9-9剖面坝体顺河向位移极值出现在次堆石靠近下游坝面中部高程，约7.0cm。

(a)坝体运行期顺河向位移(cm)

(b)坝体运行期铅直向位移(cm)

(a)坝体运行期顺河向位移(cm)

(b)坝体运行期铅直向位移(cm)

4.2 坝体堆石体应力分析

图11、图12给出了不同剖面坝体完建期应力分布规律及应力水平状态。从图中可知，坝体基本处于压应力状态，量值随着坝体高程的增加而逐渐降低，坝面应力量值较坝内应力量值小，大主应力极大值出现在坝体中间底部区域，小主应力极小值出现在坝面区域。坝体应力水平在上下游坝面中部、次堆石的应力水平相对较高，极值出现在坝面部位，但均小于1.0。

(a)坝体完建期大主应力(MPa)

(b)完建期坝体小主应力(MPa)

(c)完建期坝体应力水平

(a)完建期坝体大主应力(MPa)

(b)完建期坝体小主应力(MPa)

(c)完建期坝体应力水平

图13、图14给出了运行期坝体应力分布规律及应力水平状态。从图中可知，坝体的大小主应力随着坝体高程的增加而逐渐降低，坝体基本处于压应力状态，大主应力极大值出现在坝体底部区域，小主应力极小值出现在坝面区域，量值较完建期应力量值有所增加。在正常蓄水条件下，上下游坝面中部、次堆石的应力水平相对较高，极值出现在上游坝面，均小于1。5-5剖面应力水平极大值为0.90；9-9剖面应力水平极大值为0.75。

(a)运行期坝体大主应力(MPa)

(b)运行期坝体小主应力(MPa)

(c)运行期坝体应力水平(MPa)

(a)运行期坝体大主应力(MPa)

(b)运行期坝体小主应力(MPa)

(c)运行期坝体应力水平(MPa)

5 坝体面板变形及应力分析

5.1 坝体面板位移分析

表6给出了不同工况下坝体面板特征部位的位移量值。从表中可知，完建工况下面板位移量值随面板高程降低逐渐增大，受上游铺盖和盖重作用，面板位移极大值出现在铺盖中部高程。运行期在上游水荷载、面板自重、上游粘土铺盖及盖重作用下，面板出现较大的指向下游的变形，面板位移极值出现在面板中部高程区域，变形量值较完建期有较大的增加。5-5剖面面板运行期位移极值约为30.77cm；9-9剖面面板运行期位移极值约为17.31cm。

表6 坝体面板特征部位的位移值 (单位：cm)

5.2 坝体面板应力分析

表7给出了坝体面板特征部位的应力值。完建工况下在面板自重、上游粘土铺盖及盖重作用下，混凝土面板的大主应力基本为压应力，并随面板高程的降低而增大。在运行工况水荷载作用下，钢筋混凝土面板局部区域出现拉应力，拉应力主要由钢筋混凝土的受力钢筋承担，若配筋满足抗裂验算便能保证防渗体系的安全及有效性。

表7 坝体面板特征部位的应力值 (单位：MPa)

6 结论

通过对金佛山面板堆石坝的渗流特性和静动力结构特性分析，主要得出以下结论：

(1)在正常蓄水条件下坝体的渗透压力在面板和防渗帷幕部位急剧下降，坝体基本处于浸润线以上，下游溢出点高程与下游河床基本齐平，有利于坝体的稳定。经过防渗体的渗流量约占总渗流量的15%～27%，面板及防渗帷幕防渗效果明显。面板、防渗帷幕、地基基岩的渗透比降均小于相应的允许坡降，坝体及坝基在面板和防渗措施有效运行条件下不会出现渗透破坏。

(2)完建期和运行期坝体的变形符合土石坝变形的一般规律，坝体铅直向沉降极值出现在坝体内中部高程，向坝面及坝基方向逐渐减小，顺河向位移以坝轴线为中线分别向上下游临空面变形。

(3)坝体基本处于压应力状态，上下游坝面中部高程、次堆石的应力水平相对较高，极值出现在坝面部位，但均小于1.0，应严格控制上游垫层区域及下游坝面部位的材料填筑碾压质量，以保证安全性。