黃河海勃灣水利樞紐土石壩混凝土防滲墻應力及變形分析

阮建飛 王景濤 陳海峰

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222；2.天津市寧車沽閘管理所 天津 300453）

黃河海勃灣水利樞紐工程位于內蒙古自治區烏海市境內的黃河干流上，壩址上距石嘴山水文站50km，下游87km處為已建的內蒙古三盛公水利樞紐。壩址距烏海市3km，距自治區首府呼和浩特市約550km。

海勃灣水利樞紐是一項具有防凌、發電等綜合效益的水利樞紐工程，工程為Ⅱ等工程，工程規模為大（2）型。樞紐主要由土石壩、泄洪閘、河床式電站等建筑物組成，壩頂高程1078.7m，水庫正常蓄水位1076.0m，水庫總庫容4.87億m3，電站裝機四臺，總裝機容量90MW。其中土石壩段總長3550.3m，最大壩高18.2m，防滲采用“粘土心墻+懸掛式混凝土防滲墻”形式，防滲墻最大深度40m，頂端嵌入粘土心墻2m。本文通過對土石壩壩基防滲墻的平面應力及變形分析，從而為合理選擇混凝土防滲墻的形式及設計參數[1]提供必要的依據。

1 基本資料

（1）計算選用完建、正常蓄水位及“正常蓄水位+地震”三種工況。正常蓄水位1076.0m，相應下游水位1065.0m。

（2）土石壩屬2級建筑物，工程區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.228g，相應地震基本烈度為8度，反映譜特征周期為0.40s。工程抗震設計烈度為8度。

（3）結構計算分別采用40cm、60cm厚混凝土防滲墻，墻體材料按塑性混凝土和普通混凝土分別考慮，塑性混凝土彈性模量采用1000 MPa和1500 MPa，普通混凝土彈性模量采用17500 MPa。泊松比0.167，容重24.0 kN/m3。

（4）防滲墻與土體間摩擦系數采用0.15（考慮泥皮作用）。

（5）不考慮初期施工引起的土體初始位移場和應力場，但考慮自重產生的附加應力。

（6）計算時忽略壩體的塊石護坡、反濾及墊層，各土層之間采用理想化的平面接觸方式。壩體及壩基土體參數見表1（粘土泊松比采用0.3，砂性土泊松比采用0.25），計算典型斷面見圖1。

2 有限元計算

2.1 計算原理

本計算采用《ANSYS結構分析系統》（采用二維平面實體單元、接觸單元），對壩體結構、土體結構計算模型進行二維有限元[2]彈塑性應力分析計算。根據地質提供的參數，在進行彈塑性有限元分析中，土體采用理想彈塑性本構特性，防滲墻采用線彈性模型。

非線性應力屈服準則選用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）準則，相應計算公式如下：

表1 壩體及壩基土體參數表

德魯克-普拉格屈服準則近似莫爾-庫侖準則，對米賽斯準則進行了修正，其優點是考慮了σ2的作用。德魯克-普拉格屈服準則適用于巖石和土壤等顆粒狀材料。

2.2 邊界條件及荷載

計算的邊界條件：自壩體建基面以下沿深度方向取72m（見表1）；向上游（入滲點以上）及下游至少取1.5倍壩高。壩基底邊界為不透水邊界，即在壩基72m深度處不考慮垂直方向的水流交換。壩體及壩基上、下游為水力邊界，水頭大小與上、游水位一致；其余部分為自由滲流表面。計算邊界約束為∶地基上游、下游和底部均加法向約束。

基本荷載主要有自重、上、下游水壓力、滲透壓力、地震動力作用。各個荷載均按照《水工建筑物荷載設計規范進行》（DL5077-1997）規定取用。地震荷載同時計入水平向和豎向的作用，水平向地震加速度代表值取0.228g，豎向地震加速度代表值取0.152g，總的地震作用效應采用將豎向地震作用效應乘以0.5的耦合系數后與水平向地震作用效應直接疊加。壩址屬于Ⅲ類場地，地震設計反映譜按《水工建筑物抗震設計規范》（DL5073-2000）確定。

2.3 計算模型

假定模型順水流方向為X正方向，鉛垂向上為Y正方向。

大壩和地基按統一整體建模，建基面處壩體和土體按不同節點考慮，將壩體、土體分別劃分為二維實體單元。混凝土防滲墻與土體間采用面面接觸的接觸單元模擬；防滲墻采用線彈性單元，其根部采用塑性鉸模擬。網格劃分以四節點等參單元為主，最終劃分單元數如下：壩體單元數為720個，土體單元數為1410個。

2.4 計算結果及分析

考慮位移及應力等值線圖占用篇幅較大，本文不再示出，僅通過計算成果表及相應說明予以反映。土石壩段防滲墻應力與變形計算結果見表2，表中σ1、σ3分別為防滲墻的最大、最小主應力，應力均以拉為正，壓為負，位移以偏向下游為正，偏向上游為負。完建工況位移最大值位于中部稍偏上部位，最小值位于底端部位，均偏向上游，主要是由于自重產生的附加應力在墻體下游較上游稍大造成的；其他工況位移最大值位于頂端部位，最小值位于底端部位，主要是由于墻體兩側的不均勻滲透壓力造成的。

上述計算考慮了普通混凝土和塑性混凝土兩種墻體材料，其中塑性混凝土材料考慮了兩種彈性模量。一般情況下，彈性模量為17500MPa的普通混凝土防滲墻的抗壓強度可達到6MPa，抗拉強度可達到0.9MPa。根據經驗，通過材料試驗可以找到合適的配合比，將彈性模量為1000MPa～1500MPa的塑性混凝土的抗壓強度和抗拉強度控制在5MPa和0.6MPa以上。

由于防滲墻的應力應變狀況受地基形變、墻體厚度、墻體材料等多方面因素的影響，故各個工況下所反應的應力應變情況不盡相同。從計算成果可以看出：

對于土石壩段，40cm厚塑性混凝土防滲墻的最大拉應力和最大壓應力分別為0.30MPa和4.48MPa，40cm厚普通混凝土防滲墻的最大拉應力和最大壓應力分別為0.44MPa和5.46MPa；60cm厚塑性混凝土防滲墻的最大拉應力和最大壓應力分別為0.23MPa和3.99MPa，60cm厚普通混凝土防滲墻的最大拉應力和最大壓應力分別為0.37MPa和4.79MPa。綜合分析以上數據，各個工況的壓應力偏大，但均在前述經驗值范圍內；塑性混凝土防滲墻的應力較普通混凝土防滲墻有所改善，且60cm厚塑性混凝土防滲墻的應力最小。單從結構分析方面來說，土石壩段選用40cm、60cm厚塑性或普通混凝土防滲墻均可。防滲墻厚度最終尚需結合施工質量、工藝等因素選定。

表2 防滲墻應力與變形計算成果表

通過對不同材料（塑性混凝土和普通混凝土）的防滲墻墻體水平位移計算結果來看，相同工況條件下，不同材料的墻體水平位移相差不大，說明墻體的水平位移受墻本身的剛度影響較小，而主要是由地基的變形性質控制的。另外，減小墻體材料的彈模、增加墻體的柔度，即增加其與壩基變形的協調性，可減少墻體的應力，不過隨著墻體柔性的增加，其強度勢必相應減少[3]，故墻體剛度的選擇尚需結合現場試驗作進一步論證。

另外，計算結果說明，地震作用對混凝土防滲墻的應力及變形影響并不顯著，不會對防滲墻產生破壞變形。

3 結論

黃河海勃灣水利樞紐土石壩壩基覆蓋層深厚，采用混凝土防滲墻截斷壩基滲流符合一般的工程處理措施，但由于剛性的深而薄的混凝土墻夾在較柔軟的砂性土壩基中，如何考慮接觸面形式及參數，對防滲墻的應力及變形會產生較大的影響[4，5]。本文通過二維有限元方法計算，考慮防滲墻與壩基土體之間泥皮的作用，采用接觸單元，適當減少摩擦系數，得出的防滲墻應力及變形能較好地符合其實際運用情況，為土石壩的安全設計提供必要的依據，可供相關工程設計人員借鑒。陜西水利

[1]鄭秀培著.土石壩地基混凝土防滲墻設計與計算[M].北京：?水利電力出版社，1979.

[2]朱伯芳著.有限單元法原理與應用（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，1998：510-514.

[3]張金有，李桂慶.哈拉沁水庫大壩防滲墻應力與變形分析[J].人民黃河，2007，29（4）.

[4]陳劍，盧廷浩.結構形式及接觸面參數對防滲墻應力變形的影響分析[J].水利水電技術，2003，34（11）.

[5]孫明權，常躍.影響混凝土防滲墻內力及變形的因素分析[J].人民黃河，2006，28（4）.