Corumana水库心墙坝防渗结构静、动力特征影响变化研究

2022-11-11熊平

水利技术监督 2022年11期

熊平

(江西省水利水电建设集团有限公司，江西南昌 330000)

防渗结构对水利工程的运营安全具有举足轻重的作用，在水利大坝、溢洪道、消能池等水工建筑中[1- 2]，研究防渗结构体系的运营安全，有助于推动水工建筑设计及运营水平。探讨防渗墙等防渗结构运营安全，主要可通过静力安全与动力响应抗震特性来评价。董训山[3]、熊美林等[4]、温青山[5]为研究防渗墙等水工防渗结构的静力安全，并探讨其应力、位移与上覆土层特性关联性，采用数值计算方法，从防渗墙的静力影响变化入手，获得分析结果，从而为工程设计提供依据。不仅如此，邓佳等[6]、刘菊莲[7]、麦麦提明·依比布拉[8]从防渗墙结构自身防渗效果研究入手，采用渗流场模拟计算方法，获得了有、无防渗墙结构水利设施的流速、压强等水力参数变化，有助于评价防渗墙设计的合理性与可靠性。从水工设计科学性评价来看，张富有等[9]、季卫星[10]、徐建国等[11]不仅探讨防渗结构的静力特征，同样采用数值计算方法，针对不同工况的防渗墙结构开展地震动力响应特征分析，研究了动力响应影响变化关系，为工程抗震设计提供了参照。本文为研究Corumana水库心墙坝防渗结构静、动力场影响变化，从防渗墙自身材料参数及设计工艺参数入手，综合静、动力场维度影响变化特征，探讨防渗墙的设计工艺及运营参数最优化。

1 研究方法

1.1 工程概况

作为莫桑比克南部马普托省重要水利枢纽，Corumana水库承担着莫桑比克人民对水资源的渴望，承担着地区水利建设，为中非友好的重要见证者，设计最大库容量为1.5亿m3。

Corumana水库枢纽工程按照2期规划建设，目标乃是提升马普托省用水安全及保障供水，该枢纽工程建设水利工程设施包括引水工程、挡水工程2个部分，且有发电设施、泄流设施等附属水利工程建筑。输供水及引水工程均是一期建设后投入运营，在二期规划中提升运营能力，而水工防洪建筑乃是一期建设的重点工程。马普托省该水库工程规划主坝为心墙堆石坝，如图1所示。

结构模型采用沥青混凝土心墙结构，迎水侧蓄水位为117m，采用分层堆筑施工工艺，包括膨润土、粉土等堆筑料，心墙坝体蓄水后最大沉降为46.5mm。根据对Corumana水库调研，心墙主坝乃是防洪安全的重要保障，而其自身防渗结构的关键为厚度1.6m的防渗墙结构，该结构不仅对坝体自身渗流场安全，也对坝体左、右岸的泄洪闸及溢洪道运营安全带来影响，因而心墙主坝防渗结构乃是设计研究重点。

图1 心墙堆石坝

1.2 设计研究

Corumana水库心墙坝高度为45.5m，主轴线长度为3.05km，局部沉降稳定在0.5～2mm，心墙堤顶宽度为3.6m，曲率为6.5×10-4，弯曲段长度为0.35m，坝体防渗要求最大渗透坡降不可超过0.177，心墙剖面几何设计如图2所示。

图2 心墙剖面几何设计(单位:m)

心墙坝体防渗墙进入基岩深度为2m，坝体所在场地距离马普托省地质大断裂带直线距离为12.5km，局部区域地震等地质构造活动较活跃。为此，工程设计部门从防渗结构静、动力2个维度综合考虑其安全性。

采用CAD平面几何工具建立心墙坝体模型，并导入HyperMesh网格划分平台[12]，生成心墙坝体结构三维有限元模型，且从坝体防渗结构静、动力场研究角度考虑，取心墙坝3+120～3+320区段内模型为研究对象，如图3(a)所示。该模型中河道长度为2倍坝高，这也是主轴线心墙坝体研究范围，坝基为3倍坝高深度，包括基岩及上覆盖层等，网格单元为四边形几何体，模型计算单元、节点数分别为389268、376256个。防渗墙结构为本文研究重点，因而提取防渗墙结构独立模型如图3(b)所示，心墙与防渗墙接触面上为薄层壳体单元接触，而心墙与坝基间具有防渗垫层，故在接触面设置cohesive接触面元面，厚度为0.1m。

图3 数值计算模型

研究模型静力场输入外荷载包括各级加载的堆筑料自重荷载，也包括迎水侧静水压力等，静力场研究工况包括蓄水期与竣工期，分别对应有、无水工况，有水工况迎水侧水位按照蓄水期水位117m计算，且以防渗墙结构弹性模量为材料参数影响因素，以初始防渗墙结构弹性模量0.8GPa为基准，分别探讨防渗墙模量为1.2GPa(1.5倍)、1.6GPa(2倍)、2GPa(2.5倍)、2.4GPa(3倍)时结构静力场特征。动力场研究重点为防渗墙结构，输入荷载为马普托地震波，该动荷载时程曲线如图4所示，采用振型分解方法进行动荷载叠加计算，初始基频峰值加速度为0.2g。

图4 马普托地震波时程曲线

在动力场计算中，不仅考虑防渗墙初步拟定的厚度1.6m方案，也设定厚度1.2、1.4、1.8、2m 4个对比方案，且在马普托地震波基频基础上，设置0.15、0.25、0.3g 3个对比研究工况。坝体结构物理力学参数按照实际工程材料取值，分别计算探讨心墙坝防渗结构静、动力维度下响应特征。

2 心墙坝防渗结构静力特征

2.1 应力特征

为研究心墙坝防渗结构静力场特征，本文从计算结果中提取获得心墙、防渗结构拉应力特征，如图5所示。

由图5中拉应力变化可知，竣工期防渗墙与心墙结构拉应力随防渗墙弹性模量均为递增变化，表明防渗结构的弹性模量参数会促进防渗体系张拉应力产生，降低结构抗拉特性；在防渗墙弹性模量0.8GPa时心墙结构的最大拉应力为1.73MPa，而防渗墙模量为1.2、2、2.4GPa时，心墙结构的最大拉应力分别增长了13.5%、37.7%、57.7%，同理防渗墙结构在后三者方案总最大拉应力较前者也分别增大了16.3%、51.9%、68.3%；由此可知，控制防渗墙结构弹性模量，有助于减弱坝体结构张拉破坏危险，提升结构静力安全[13]。整体上看，当防渗墙结构每增大0.4GPa，则可引起心墙、防渗墙2个结构最大拉应力分别增大12.1%、16.7%，也表明了防渗墙结构张拉应力受其自身模量参数影响敏感度更高。从拉应力值来看，心墙在研究方案中分布为1.73～2.73MPa，而防渗墙结构拉应力较前者结构部位分别具有增幅78.7%～97.2%，即防渗墙结构受拉程度高于心墙，结构监测时应重点关注于此。蓄水期心墙与防渗墙结构的拉应力受防渗墙模量影响变化仍与竣工期一致，但相比之下，受墙体模量影响变幅减弱；从总体方案变幅可知，当墙体结构模量递增0.4GPa，心墙与防渗墙结构拉应力分别提高7.7%、10.5%。不仅于此，相比竣工期拉应力值，蓄水期拉应力有所降低，心墙与防渗墙在5个模量方案中分别减少了42.3%～49.8%、43.3%～51.5%。由此说明，蓄水期工况会减弱竣工期结构拉应力，此现象与蓄水期静水压力上涨，平衡一部分张拉应力有关。总体来看，防渗墙弹性模量控制在较低水平时，对结构静力安全更为有利。

2.2 变形特征

静力场特征中不仅有结构应力，也存在结构变形，竣工期与蓄水期防渗墙结构水平与竖向变形特征如图6所示。

分析位移特征可知，竣工期内防渗墙体弹性模量愈大，防渗墙结构竖向位移愈大，而水平向位移随之变化较小；当墙体模量为0.8GPa时，防渗墙结构竖向位移为5.8mm，而模量为1.2、1.6、2.4GPa时竖向位移分别增大了10.6%、23.2%、46.2%，模量每变化0.4GPa，可导致结构竖向位移增幅10.1%。不同于此，防渗墙结构水平位移变幅较小，特别是在墙体模量低于1.6GPa时，其水平位移稳定值约为3.63mm，而墙体模量为2、2.4GPa方案时相比前3个方案位移稳定值分别仅增长了14%、25.2%。笔者认为，改变防渗墙结构弹性模量，对结构水平位移影响较小，但竖向位移受之影响较大，结构自重在防渗体系中具有主导作用[14]。

当处于蓄水期时，位移值整体水平均高于竣工期，如水平位移相比增长了33.5%～40.7%，其中以墙体模量2.4GPa方案的增幅为最大，而墙体模量在低于1.6GPa时增幅较低。防渗墙结构竖向位移在蓄水期中增长了43.5%～60.5%，其影响幅度也高于水平位移，表明结构竖向位移不仅受墙体模量影响更为敏感，也受有、无水工况运营影响。在蓄水期，当墙体模量每递增0.4GPa，可引起结构竖向位移增大11.5%，而水平位移的变幅仅为6.2%。综合分析可知，控制防渗墙弹性模量，可有效减少防渗墙体沉降变形，且可控制防渗墙水平向位移，保障结构静力场运营安全。

图5 心墙与防渗墙结构拉应力影响变化特征

图6 防渗墙结构位移影响变化特征

3 心墙坝防渗结构动力特征

基于不同基频幅值地震波荷载的动力响应特征计算，获得了不同防渗墙厚度方案下墙体结构上加速度响应最大值变化特征，如图7所示。

由图7可知，竣工期墙体结构加速度响应值随防渗墙厚度为递增变化，地震波幅值0.15g时，墙体厚度每递增0.4m，可引起防渗墙最大加速度响应值增长25.5%，而基频为0.2g、0.3g时，防渗墙最大加速度响应值随厚度参数的变幅分别为20.4%、14.6%，即基频愈大，则防渗墙受其自身厚度影响敏感愈低。同时，加速度响应值在墙体厚度各方案中影响变幅有所差异，4个基频方案在墙体厚度1.6m前、后梯次内，分别具有较低、较大的加速度响应增幅，以基频0.2g方案为例，在墙体厚度1.2～1.6与1.6～2m方案内，响应值分别具有平均增幅9.1%、22.3%，故墙体厚度在动力响应值较低增幅区域内更为合适[11，15]。

蓄水期加速度响应值整体水平低于竣工期，在基频为0.3g时，各厚度方案中响应值相比竣工期减少了10.7%～17.2%。当然，蓄水期动力响应值随厚度或随基频变化特征与竣工期类似，墙体厚度为1.6m时加速度响应值变幅更利于抗震设计。综合有、无水2种工况，控制墙体厚度小于1.6m乃是更为理想的抗震设计方案。