坝内开裂泄水涵洞渗流-应力耦合有限元计算分析

刘怒涛

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 832000）

土石坝内泄水涵洞在发电、灌溉以及供水等方面扮演重要角色，是水利工程中的重要输水建筑物。坝内泄水涵洞墙体结构一般采用混凝土材料浇筑，其具有施工便利、造价低廉、耐久性较好等特征，是工程建设的首选材料。然而，混凝土结构易产生裂缝，尤其是在土石坝中，涵洞作为坝内输水建筑物，其裂缝渗水关乎到大坝的整体稳定[1-3]。因此，坝内泄水涵洞在渗流-应力耦合作用下的受力分析显得尤为重要。

很多学者对坝内泄水涵洞、渗流-应力耦合等方面进行了研究：葛跃平[1]阐述了金华市小型水库坝内泄水涵洞工程，坝内泄水涵洞的病害成因，提出了处理技术及方案。吕从聪[2]采用ABAQUS 有限元数值计算软件，对渗流-应力耦合分析中渗流压力施加问题进行了探讨，为相关渗流-应力耦合计算提供了参考。罗景崭[3]运用ABAQUS 有限元软件，计算分析了在渗流-应力耦合作用下，降水条件对基坑沉降及安全稳定的影响。王克忠[4]利用MIDIAS-GTS 有限元分析程序，对有无渗流作用下隧洞的开挖过程进行了数值计算，得出了隧洞开挖过程中围岩孔隙水压力分布及围岩变形规律。张志[5]基于渗流-应力耦合原理，采用ABAQUS软件，分析了不同工况下单层、双层衬砌的承载特性。

前人的研究成果在推进渗流-应力耦合计算以及保障隧洞、坝内泄水涵洞安全稳定等方面做出了卓有成效的贡献。然而，现有研究大多是对工程前期设计方案做论证。本文以某粘土心墙坝内泄水涵洞工程为例，通过坝体变形参数反演、渗流-应力耦合数值模拟的方法分析坝内泄水涵洞混凝土结构的应力应变特性，以期为相似工程提供参考。

1 坝内泄水涵洞及裂缝概况

坝址区河谷成“U”型，河道以侧向侵蚀为主。坝顶宽约7.0 m，坝顶高程1 193～1 194 m。左右岸为山体，岩性为砾岩。主要出露的地层有第四系全新统（Q4ml）人工填土，第四系全新统冲洪积（Q4apl）细砂、壤土和圆砾，白垩系下统宜君组（K1y）砾岩等地层。泄水涵洞前段位于库区中，后端位于坝体中。

泄水涵洞断面为2 孔现浇钢筋混凝土箱涵结构，每孔尺寸2 800 mm×3 000 mm（宽×高），共分14 个结构段，长12 m。2—7 节箱涵壁厚为800 mm，4 角倒角尺寸为500 mm×500 mm；9—14 节箱涵壁厚为600 mm，4角倒角尺寸为300 mm×300 mm；1 节、8 节为渐变段。

泄水涵洞墙体混凝土结构共有167 条裂缝，裂缝总长390 m。墙体裂缝宽度在0.05～0.45 mm 之间，平均裂缝宽度为0.16 mm，底板平均裂缝宽度为0.07 mm，顶板裂缝宽度大多为0.05mm，平均裂缝宽度为0.08mm。

2 数值计算

采用某大型通用非线性有限元数值计算软件，对该粘土心墙坝及坝内泄水涵洞进行渗流-应力耦合计算。

2.1 计算本构模型

坝体填筑体采用邓肯（Ducan）E-B 非线性模型模拟；由于混凝土面板与垫层料的刚度差异较大，两者接触面在荷载作用下因变形不协调会发生相对位移，为了反映两者之间的相互作用，进行有限元分析时，必须考虑界面接触特性。混凝土表面切向作用设置为罚函数，与坝壳料之间的摩擦系数为0.3，法向作用设置为硬接触。渗流-应力耦合分析时，无需进行渗流场与应力场的反复迭代，只要按时间过程连续求解即可得出渗流-应力耦合条件下的计算结果[2]。

2.2 几何模型及网格划分

根据现场各建筑物尺寸，建立三维实体模型及网格模型（见图1），其中泄水涵洞分为四种结构形式，即1 号渐变段、A 型、2 号渐变段、B 型。计算模型共计149 574 个单元，162 199 个节点，其中泄水涵洞模型共计30 968 个单元，44 820 个节点，单元类型为C3D8P六面体八节点渗流应力耦合单元。

图1 坝体及泄水涵洞段模型及网格划分

2.3 计算参数及边界条件

计算中涉及的混凝土构件，采用线弹性模型。坝体混凝土面板与趾板C40 混凝土弹性模量取32.5 GPa，泊松比取0.167。回填C20 混凝土弹性模量取25.5 GPa，泊松比取0.167。坝底砾岩弹性模量取6.5 GPa，泊松比取0.187。涵洞间柔性填缝材料弹性模量取100 MPa，泊松比取0.4。

已建大坝的各项参数选取对计算结果影响较为明显。因此，根据该粘土心墙坝内泄水涵洞的沉降监测资料，本文采用参数反演的方法对拟定参数进行修正，进而提高计算结果的准确性。反演计算初选参数在同类工程中根据本次所选材料的各料颗粒级配特征参数、填筑标准等相应指标进行类比之后，经过整理得出面板堆石坝填筑料邓肯-张E-B 模型参数，填筑料静力计算参数详见表1，表中ρ 为填筑料密度，φ0内摩擦角，Δφ 摩擦角增量，Rf为破坏比，K 为初始模量，n 为反映变形模量与围压的关系，Kur为回弹模量，Kb为初始模量基数，m 为反映初始模量随围压变化的速率；坝体渗透系数Ks1取3.77×10-4cm/s；混凝土心墙渗透系数Ks2取2.0×10-7cm/s。

表1 初选坝体变形静力计算参数

边界条件方面，静力边界采用模型地基两侧施加水平位移约束，底部边界位移全约束；渗流边界：进水边界为第一类边界，即上游坝坡与水交接面，出水边界为第二类边界即下游坝坡、填土及第14 节涵洞直立面。

3 有限元计算及分析

3.1 反演计算及参数修正

根据泄水涵洞底部变形及坝体变形与监测资料对比，确定后续计算参数。计算参数见表2，岩弹性模量取7.3 GPa，泊松比取0.176。

表2 反演后坝体变形静力计算参数

3.2 不同工况下粘土心墙坝内泄水涵洞位移及应力特性

根据上述反演参数，计算了渗流-应力耦合作用下正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位工况时粘土心墙坝内泄水涵洞的应力场及位移场。图2 为正常蓄水位（1 186.30 m）、设计洪水位（1 189.63 m）、校核洪水位（1 191.76 m）泄水涵洞竖向变形计算结果。由计算结果值可知，泄水涵洞各个管节整体变形趋势为竖向向下，受上部土体厚度影响，坝轴线部分涵洞变形略大。然而，泄水涵洞底部为砾岩承载力较高，涵洞整体变形都不大：正常蓄水位涵洞竖向变形最大值为-8.972mm、设计洪水位竖向变形最大值为-9.352 mm、校核洪水位竖向变形最大值为-9.864 mm。

图2 不同水位泄水涵洞竖向变形放大对比图

考虑到混凝土的抗拉强度较弱，泄水涵洞混凝土结构拉应力为分析时的着重点。图3 为校核洪水位（最不利工况）泄水涵洞各段拉应力云图。由计算结果可知，在校核洪水位工况下，泄水涵洞顶板部位几乎全部处于拉应力状态，其中，涵洞顶板内侧以及中隔墙顶端外侧属于拉应力集中区，且拉应力值相近。涵洞底板内侧拉应力值较小，侧墙仅在与上下顶板连接部位存在拉应力。在整个泄水涵洞中，A 型第4 段的拉应力值在各节涵洞中最大，最大值出现在该段顶板内侧为1.131 MPa（见图3）。

图3 校核洪水位泄水涵洞典型段拉应力云图

4 结论

通过现场监测数据，建立大坝段、14 段泄水涵洞结构和细部件、回填混凝土的三维实体模型及网格模型，采用Duncan E-B 模型同时考虑水压力作用、结构外侧接触作用进行三维有限元应力应变分析，得到以下结论：

（1）泄水涵洞整体变形随着土体埋深越大变形越大。因泄水涵洞底部为砾岩承载力较高，涵洞整体变形都不大，校核洪水位涵洞沉降量最大值为-9.864 mm。

（2）考虑结构、水压力与坝体共同受力时涵洞混凝土结构整体沉降变形较小，各个泄水涵洞受力均不大，校核工况时结构受力最大，最大拉应力为1.131MPa。

（3）泄水涵洞裂缝影响混凝土结构的抗渗性、钢筋锈蚀等耐久性能，建议仍在渗水的裂缝采用压浆封闭处理，其它裂缝进行表面封闭。