前坪水庫大壩設計及三維應力變形分析

寧保輝，于 沭，董振鋒，張幸幸

(1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

前坪水庫位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游、河南省洛陽市汝陽縣縣城以西9km前坪村，水庫以防洪為主，結合灌溉、供水，兼顧發電的大(二)型水庫，是國務院批準的172項重大節水工程之一。水庫總庫容5.84億m3，控制流域面積1325km2。水庫設計洪水標準采用500年一遇，校核洪水標準采用5000年一遇。主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、輸水洞、泄洪洞、電站等。大壩采用黏土心墻砂礫(卵)石壩，壩頂長818m，最大壩高90.3m，目前為河南省壩高最高的心墻壩。

大壩設計存在壩體高度大，地基條件復雜，右岸壩肩岸坡陡峻，料場砂礫(卵)石料級配不良等特點，針對上述特點，在大壩設計中，采取多種工程措施。本文對大壩設計難點進行分析，并提出了設計方案，并根據前坪水庫心墻壩的設計分區、地形條件以及覆蓋層的土層分布，建立三維心墻砂礫石壩模型，對大壩的填筑及蓄水過程進行模擬，對各關鍵時刻包括竣工期、滿蓄期大壩的應力、變形特性等進行了研究。

1 大壩設計

1.1 壩基處理

1.1.1覆蓋層處理

壩基覆蓋層以卵礫石層為主，厚度12.5～26.2m，最大厚度28m。卵礫石級配良—不良，上部結構多呈松散—稍密，強度不均勻，承載力采用值200～300kPa，存在壓縮變形和不均勻沉降變形較大等問題；下部中密—密實，承載力采用值400～500kPa，變形模量35.0～40.0MPa。左岸一級階地表層壤土、中細砂強度低，且河床段砂卵石受人工采砂影響(深度2～6m)，僅余粗顆粒，地面高程處于動態變化之中。下伏巖體為安山玢巖，主要呈弱風化狀態。

現狀天然河道表層砂礫卵石層由于挖砂影響，細顆粒含量偏少，尤其是砂粒含量，若采用振沖碎石樁處理效果不理想，處理深度不宜掌握，設計采用開挖換填方案，大壩河槽段建基面開挖至密實砂卵石層(Dr≥0.67)，階地段建基面開挖至基巖。河槽段壩基砂礫(卵)石層挖除深度1.7～10.4m，階地段壩基粉質壤土層挖除深度7～20m。

1.1.2壩基防滲設計

壩基覆蓋層以卵礫石為主，滲透系數為5.2×10-1cm/s，屬強透水性。階地上分布的壤土、粉質黏土滲透系數5.25×10-5cm/s，屬弱透水性。右岸壩肩分布的礫巖滲透系數4.02×10-4cm/s(透水率4.8～5.9Lu)，屬弱透水性。弱風化礫巖透水率一般小于5.0Lu，屬弱透水性。

覆蓋層采用混凝土防滲墻，下伏透水巖體采用帷幕灌漿處理。根據計算及相關工程經驗[1- 2]，防滲墻厚度按混凝土的允許滲透比降控制設計，防滲墻厚度1.0m。防滲墻混凝土采用C25鋼筋混凝土，抗滲等級為W8。防滲墻布置于黏土心墻軸線上游5m處，全長665.0m，墻深11～29m。防滲墻向上插入防滲體內長度為7.0m。向下穿過砂礫石層深入至弱風化安山玢巖內不小于1m。混凝土防滲墻頂填筑含水率大于最優含水率的高塑性土區。在防滲墻每個槽段均設置縱橫向φ25的鋼筋網，以防止防滲墻局部開裂滲水，伸入心墻部分防滲墻采用現澆，鋼筋網通長布置，跳倉澆筑，施工縫部位設1.60mm厚紫銅止水，表面上游側粘貼一層碳纖維布(規格300g/m2)。防滲墻下部布置帷幕灌漿，防滲墻內預埋帷幕灌漿鋼管(φ110mm)，帷幕底進入相對不透水層(3.0Lu)5m。布置1排帷幕灌漿孔，孔距1.5m。

1.1.3F2斷層處理

壩基F2斷層在樁號0+409與壩軸線相交，產狀345°～355°∠70°，走向75°～85°，傾向NW，傾角70°～85°。斷帶寬5～10m，斷層影響帶寬度上盤14～22m，下盤1～3m，為壓扭性正斷層。斷帶呈棕紅色，由碎塊巖、糜棱巖、角礫巖、斷層泥組成。斷層影響帶為強風化安山玢巖，灰黃色、棕紅色，風化深度15～25m，巖芯多呈泥質含碎塊。破碎帶壓水試驗透水率0.96～3.40Lu，一般在1.20～1.80Lu，斷層影響帶內壓水試驗透水率2.20～3.00Lu，屬弱透水，根據在斷層帶露頭處試坑注水試驗的成果，滲透系數為2.50×10-3～2.90×10-3cm/s。整體上滲透性不均，一般屬弱—中等透水性。

F2斷層靠近左岸順河穿過壩址，斷裂帶以斷層角礫巖和碎塊巖為主，斷層埋藏較深。鑒于F2斷層發育的不均一性，沿F2斷層破碎帶的滲漏可能會引起滲透變形問題。設計為沿F2斷層影響范圍內(寬度為30m)防滲墻沿斷層走向深入到壩基3Lu線下1m，此處防滲墻深度為46.0m，該段防滲墻遠大于兩側防滲墻深度，在兩側變化區防滲墻由較大拉應力區，經計算及現場監測，配筋后防滲墻滿足抗拉要求。

1.1.4右壩肩坡腳覆蓋層處理

根據右岸壩肩地形，右壩肩坡腳黏土心墻基礎部分坐落在基巖開挖邊坡上，部分坐落于砂(卵)礫石覆蓋層上，該段心墻為河槽段向右壩肩過渡段。為防止心墻產生不均勻沉降，在心墻范圍內的覆蓋層采用高噴灌漿處理，孔、排距2m；相鄰高噴灌漿孔間再增加進行覆蓋層固結灌漿措施，固結灌漿孔、排距2m，固結灌漿孔與高噴灌漿孔交錯布置；心墻與巖基及覆蓋層接觸部位設1.2m厚混凝土蓋板。

1.2 右岸壩肩陡峻岸坡設計

右岸岸坡陡立，平均坡度為59°，基巖裸露，為弱風化安山玢巖，強度高，但裂隙發育，多微張。受河流侵蝕及人類活動修路切坡影響，右岸邊坡發育有強卸荷帶，坡體呈懸坡，厚度為垂直地表5～10m，深度自邊坡坡頂，延伸至河谷底，裂隙張開局部達1～2cm，連通性好，裂隙面普遍銹染，雨季沿裂隙見線狀水流。壩肩軸線位置有一交通隧洞，洞長80m，雨后洞頂部出現滲水、漏水。

在滿足黏土心墻與岸坡連接、岸坡帷幕灌漿施工要求的前提下，減少石方開挖。設計以坡腳為起點，開挖深槽，槽底寬20.0m，壩軸線方向坡比為1∶0.674，兩側開挖邊坡坡比為1∶0.75，坡高為86.3m，坡長104m。壩肩黏土心墻均位于深槽內。對右壩肩原交通隧洞采用微膨脹混凝土進行全段封堵，混凝土強度達到設計強度70%后進行充填、接觸灌漿。

1.3 壩體橫斷面設計

主壩壩頂高程423.50m，壩頂設高1.2m鋼筋混凝土防浪墻，壩頂寬度10.0m。上游邊坡坡度從上至下分別為1∶2、1∶2.25、1∶2.5，利用臨時工程的施工圍堰作為主壩壩體的一部分，上游戧堤截流施工完成后，在353.0m填筑頂寬20m平臺與上游施工圍堰結合。下游壩坡坡比從上至下均為1∶2.0，上游壩面364.0m高程以上采用C20混凝土連鎖塊砌塊護砌，護砌厚度為0.24m，下游壩坡350.0m高程以上采用預制混凝土塊生態護坡，350.0m高程以下(水位變動區)采用塊石護坡。

黏土心墻頂寬4.0m，頂部高程422.70m，河床段心墻上下游坡比選用1∶0.3。左、右岸坡段坡比為1∶0.4，中間設置30m長漸變過渡段。心墻上、下游側填筑反濾料，心墻上游與壩殼砂礫石料之間填筑兩層反濾料，分別為粗砂反濾料厚2.0m、小于50mm級配反濾料2.0m；心墻下游與壩殼砂礫石料之間填筑兩層反濾料，分別為粗砂反濾料厚2.0m、小于50mm反濾料3.0m。

下游利用溢洪道、壩肩開挖料填筑粗堆石區[3- 5]，填筑頂高程353.0m。粗堆石料與心墻反濾料間另設一層洞挖石碴過渡料，厚度3.0m；粗堆石料與壩基砂卵礫石層填筑1層反濾料、1層過渡料，反濾料為小于50mm反濾料，厚度1.0m，過渡料為導流洞、泄洪洞洞挖石碴過渡料，厚度1.0m。

2 壩體三維有限元應力變形分析

2.1 計算方法

2.1.1有限元模型

根據實際設計方案和壩址區地形地質條件建立了三維有限元模型。模型包括黏土心墻堆石壩、壩基覆蓋層和防滲墻。在防滲墻與土體之間、防滲墻與基巖等接觸部位設置了薄層接觸單元。整體有限元模型共包含52745個單元和55314個節點。大壩和壩基的整體有限元模型如圖1所示。

圖1 壩體和壩基整體有限元網格

2.1.2本構模型

在應力變形的計算過程中，土體材料(包括覆蓋層和壩體填筑材料)均采用鄧肯E-B模型，混凝土防滲墻采用線彈性模型進行計算。

2.1.3計算參數

計算過程中采用的參數見表1。

表1 前坪水庫筑壩材料鄧肯模型參數

2.2 計算結果

計算分析坐標系采用笛卡兒直角坐標系，以順壩軸線從左岸到右岸方向為x坐標正向，以順河向從上游到下游方向為y坐標正向，以沿豎直向從低海拔到高海拔為z坐標正向。

位移豎直表示自壩體相應位置填筑后開始計，至特定時刻的累計變形量。位移正值表示變形指向相應坐標軸正向，負值反之。計算中的應力以壓應力為正，拉應力為負。壩體內大小主應力分別按照有效主應力進行整理。

2.2.1竣工期計算結果

竣工期，典型橫斷面的順河向位移和沉降量分布如圖2、圖3所示。竣工期壩體的最大沉降量出現在壩體心墻中部，最大值為1.41m；壩體的順河向位移基本上以壩軸線呈對稱分布，上游堆石區向上游移動，最大值為0.22m，下游堆石區向下游移動，最大值為0.13m。

圖2 竣工期典型橫斷面X=550順河向水平位移分布(單位：m)

圖3 竣工期典型橫斷面X=550豎向位移分布(單位：m)

圖4—6為壩體及壩基的應力分布情況。壩體的大、小主應力極值均出現壩殼底部靠近心墻的位置，大主應力最大值約為1.9MPa，小主應力的最大值約為0.6MPa。竣工期壩體的應力水平整體不大。

圖4 竣工期典型橫斷面X=400大主應力分布(單位：MPa)

圖5 竣工期典型橫斷面X=400小主應力分布(單位：MPa)

圖6 竣工期典型橫斷面X=400應力水平分布

圖7—8為竣工期沿壩體軸向剖面計算結果。由結果可知，壩體的順軸向位移較小，壩體的最大沉降量隨覆蓋層深度的增加而增加，右岸壩體的沉降值大于左岸壩體，壩體的大小主應力整體較小，心墻底部和覆蓋層接觸部分應力水平較大。

圖7 竣工期沿壩軸線剖面的沉降分布(單位：m)

圖8 竣工期沿壩軸線剖面大主應力分布(單位：MPa)

圖9—11為防滲墻的應力和變形分布，由結果可知，防滲墻的最大大主應力出現在河谷最深處，數值為6.4MPa；在地形變化處，防滲墻有較大的拉應力；防滲墻的撓度值較小，最大值為0.02m，方向指向上游。

圖9 竣工期防滲墻的大主應力分布

圖10 竣工期防滲墻的小主應力分布

圖11 竣工期防滲墻的撓度分布

2.2.2滿蓄期計算結果

滿蓄期，典型橫斷面的順河向位移和沉降量分布如圖12、圖13所示。壩體的最大沉降量仍然出現在壩體心墻中部，最大值為1.28m，較竣工期有所減小；受上游庫水推力的影響，壩體的順河向位移變化較大，向下游位移最大值為0.44m，出現在壩體頂部，向上游位移值有所減小，最大值為0.12m，出現在上游壩殼底部靠近壩踵部位。

圖12 滿蓄期典型橫斷面X=550順河向水平位移分布(單位：m)

圖13 滿蓄期典型橫斷面X=550豎向位移分布(單位：m)

圖14—16為滿蓄期壩體及壩基的應力分布情況。壩體的大、小主應力極值均出現在下游壩殼底部靠近心墻的位置，大主應力最大值約為1.7MPa，小主應力的最大值約為0.58MPa，數值大小與竣工期計算結果基本相當，分布趨勢有所變化，上游壩殼的主應力值明顯減小。滿蓄期，由于庫水推力的影響，上游壩殼的應力水平整體較大。

圖14 滿蓄期典型橫斷面X=400大主應力分布(單位：MPa)

圖15 滿蓄期典型橫斷面X=400小主應力分布(單位：MPa)

圖16 滿蓄期典型橫斷面X=400應力水平分布

圖17—18為滿蓄期沿壩體軸向剖面計算結果。由結果可知，壩體的順軸向位移及沉降的分布與竣工期基本相同，壩體沉降最大值有所減小，順壩軸線位移有所增加。壩體的大小主應力值較竣工期也有所減小。

圖17 滿蓄期沿壩軸線剖面的沉降分布(單位：m)

圖18 滿蓄期沿壩軸線剖面的大主應力分布(單位：MPa)

圖19—21為滿蓄期防滲墻的應力和變形分布，由結果可知，防滲墻的最大大主應力出現在河谷最深處，數值為5.5MPa；在地形變化處，防滲墻有較大的拉應力；防滲墻的撓度值較竣工期有增加，最大值為0.13m，方向指向下游。

圖19 滿蓄期防滲墻的大主應力分布

圖20 滿蓄期防滲墻的小主應力分布

圖21 滿蓄期防滲墻的撓度分布

2.3 分析結論

表2為前坪水庫壩體計算得到的應力變形特征值。

表2 計算結果特征值

2.3.1壩體應力和變形

根據壩體三維計算分析的結果，竣工期，壩體的最大豎向位移為1.41m，占壩高的1.56%，其位置處于河床段壩體心墻中部。從壩體典型橫斷面看，壩體水平位移基本上相對于壩軸線呈對稱分布，上游區位移指向上游側，下游區位移指向下游側，指向上游方向的位移最大值為0.22m，指向下游方向的位移最大值為0.13m。竣工期，壩體大主應力的最大值約為1.9MPa，小主應力的最大值約為0.6MPa，主應力最大值的位置均在上下游壩殼底部靠近心墻位置。竣工期，從壩體沿壩軸線方向的水平位移分布看，其總體趨勢是岸坡段壩體的位移均指向河谷中央，數值不大。

滿蓄期壩體橫斷面上位移分布的變化較為明顯，在上游庫水壓力的作用下，壩體上游區指向上游的水平位移減小，指向下游區的水平位移增大。受水荷載的作用，壩體的沉降有所減小，滿蓄期最大沉降約為1.28m，其最大值位置與竣工期基本相同。

滿蓄期壩體大主應力分布與竣工期有較大變化，上游壩殼的大主應力值有所減小，下游壩殼的大主應力值有所增加，壩體大主應力的最大值約為1.7MPa。水庫蓄水以后，壩體小主應力值有一定減小，小主應力分布等值線與竣工期相比呈明顯的上抬趨勢，最大值出現在下游堆石區，數值為0.58MPa。

竣工期壩體大部分區域的應力水平數值均較低，且應力水平分布相對均勻。蓄水后，由于庫水推力作用，壩體上游堆石區應力水平較大。

2.3.2防滲墻應力和變形

竣工期防滲墻的最大大主應力出現在河谷最深處，數值為6.4MPa；在地形變化處，防滲墻有較大的拉應力區。防滲墻的主要部分基本都處于受壓狀態，在一些地形變化處有較小范圍的拉應力，在施工中可進行適當處理。

滿蓄期防滲墻的撓度值較竣工期有增加，最大值為0.13m，方向指向下游，出現在河谷最深處的防滲墻頂部。

3 結語

前坪水庫大壩為黏土心墻砂卵礫石壩，壩基及防滲處理、壩體與壩肩連接，筑壩材料等均為決定大壩是否安全的決定性因素，本文提出了防滲墻局部加深、岸坡梯形槽開挖、砂礫石地基注漿等設計方案，取得了良好的效果。數值模擬計算結果表明：竣工期壩體的最大豎向位移為1.41m，占壩高的1.56%；壩體大部分區域的應力水平數值均較低，且應力水平分布相對均勻；防滲墻的主要部分基本都處于受壓狀態，在一些地形變化處有較小范圍的拉應力，壩體應力和變形分布符合一般規律。證明大壩設計采取的工程措施是經濟、合適的。