堆石壩懸掛式防滲墻應(yīng)力變形分析

李響

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽110003）

1 工程背景

趙家堡子水電站位于遼寧丹東鳳城愛河干流上，為當?shù)匾?guī)劃建設(shè)的重要水電工程，工程建成之后對緩解當?shù)仉娏?yīng)緊張，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保護生態(tài)環(huán)境具有重要作用。該水電站為徑流式水電站，設(shè)置4臺4 200 kW的貫流式水力發(fā)電機組，總裝機容量為16 800 kW。水電工程設(shè)計庫容為1 550萬m3，設(shè)計洪水標準為百年一遇，校核洪水標準為千年一遇。水電站設(shè)計壩高56.0 m，壩頂寬10.0 m，上游壩坡的坡比為1∶1.4，鑲嵌混凝土面板的長度為126.77 m，頂部厚度為0.4 m，底部厚度為0.7 m，面板為C30混凝土澆筑[1]。趙家堡子水電站位于愛河的河谷地帶，大壩位于覆蓋層厚度達135 m 的深厚覆蓋層上。鑒于覆蓋層厚度較大，如果采用全封閉防滲墻，不僅工程投資將明顯增大，也會面臨較大的施工困難，因此采用懸掛式防滲墻設(shè)計[2]，防滲墻采用C30混凝土澆筑，厚1.0 m、深82.0 m。顯然，懸掛式防滲墻并沒有深入到壩基的基巖內(nèi)部，因此，在大壩建設(shè)和運行期間會受到比較復雜的應(yīng)力影響[3]。為了保證大壩建設(shè)運行期間的安全穩(wěn)定，特別是防滲墻防滲性能的有效發(fā)揮，有必要對其應(yīng)力變形進行深入研究和分析，為大壩的建設(shè)和運行管理提供必要的建議。

2 有限元計算模型

2.1 計算模型的構(gòu)建

趙家堡子水電站壩基部位復雜的地質(zhì)環(huán)境，不僅給大壩建設(shè)造成明顯的不利影響，也給大壩的受力分析造成一定的困難。從前期的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果來看，大壩壩基部位的覆蓋層主要包括7 個層次結(jié)構(gòu)。同時，由于大壩左岸和右岸高程相差較大，且壩基覆蓋層的厚度和結(jié)構(gòu)也存在比較明顯的差異。因此，在研究分析過程中，分別選擇位于大壩左岸和右岸的0+086 m 和0+154 m 斷面進行建模分析。為了進一步簡化運算過程，提高模型計算的效率，建模過程中在不影響計算結(jié)果的科學性和準確性基礎(chǔ)上，對大壩的壩體和覆蓋型結(jié)構(gòu)進行必要的簡化。主要考慮大壩基巖、防滲墻、大壩壩殼分區(qū)、壓重平臺以及大壩上下游馬道，而其余的細微結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果影響極為有限，在建模過程中不予考慮[4]。

確定合理的計算區(qū)域?qū)μ岣哂嬎憬Y(jié)果的精度同時保證計算效率具有重要意義。研究中結(jié)合該領(lǐng)域的研究成果和經(jīng)驗，確定計算模型的上下游邊界分別向大壩的上游和下游方向延伸2 倍壩高和1 倍壩高。鑒于大壩的壩基部位具有厚度較大的覆蓋層，為了保證模型計算結(jié)果的有效性和準確性，模型下部邊界為基巖上表面向下延伸1 倍壩高[5]。幾何模型沿壩軸線指向左岸的方向為Y軸正方向，以垂直于Y軸指向下游的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸的正方向。由于壩基覆蓋層分層較多且對防滲墻的工作狀態(tài)，特別是受力情況存在不同的影響，因此按照覆蓋層的主要結(jié)構(gòu)，對壩基部位沿高度方向進行5 層網(wǎng)格剖分，為了模擬防滲墻和周圍巖土體的相互作用，在接觸面上設(shè)置無厚度網(wǎng)格單元。鑒于混凝土防滲墻和周圍的巖土體具有相似的屬性，因此采用摩爾-庫倫模型進行模擬[6]。對構(gòu)建的幾何模型進行四邊形網(wǎng)格單元劃分，其中，0+086 m 斷面和0+154 m 斷面分別劃分為34 687 和32 366 個計算單元，如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 計算參數(shù)

要取得準確的計算結(jié)果，必須要依靠合理的模型材料物理力學參數(shù)。研究中，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)以及相關(guān)的工程經(jīng)驗，確定模型材料物理力學參數(shù)，見表1。

表1 模型材料物理力學參數(shù)

2.3 計算荷載

結(jié)合計算的目的和要求以及趙家堡子水電站大壩的實際情況，計算過程中考慮的主要荷載：一是大壩的壩體和壩基的自重；二是大壩壩體上下游的水壓力；三是大壩壩基的滲透壓力[7]。由于趙家堡子水電站為面板堆石壩設(shè)計，且混凝土面板下還設(shè)有復合土工膜，壩體內(nèi)部的堆石體并不會受到明顯的滲流影響。綜上，電站在運行過程中的庫水位升降變化不會對壩體內(nèi)部的浸潤線分布造成顯著影響，可不考慮庫水位升降變化。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 防滲墻變形特征分析

利用構(gòu)建的模型，對趙家堡子水電站蓄水運行期間防滲墻兩個典型斷面的水平和沉降位移進行計算，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出，大壩受到上游庫水位壓力的作用，懸掛式防滲墻受到上游庫水荷載的作用，呈現(xiàn)出整體向下游變形的特點。從兩個典型斷面的對比來看，0+086 m 斷面的整體位移變形相對較大，0+154 m 斷面的整體變形相對較小，最大水平位移量為356 mm。由于懸掛式防滲墻頂部僅40 m，水頭造成的庫水壓力幾乎完全由防滲墻承擔，同時防滲墻的底部沒有深入基巖，底部的支撐作用較弱，在運行之后會產(chǎn)生一定的沉降變形，最大沉降變形量約為84 mm。從位移變形的縱向分布規(guī)律來看，墻體頂部的水平位移量較大，隨著深度的逐步增加，墻體的水平位移量逐漸減小。

3.2 墻體受力特征分析

利用構(gòu)建的模型，對趙家堡子水電站蓄水運行期間防滲墻兩個典型斷面的應(yīng)力進行計算，結(jié)果如表2 所示。由表2 計算結(jié)果可知，在趙家堡子水電站蓄水運行之后，由于受到庫水壓力的作用，防滲墻應(yīng)力有明顯的增加，相對而言，0+086 m 斷面的應(yīng)力值相對較大，0+154 m 斷面的應(yīng)力值相對較小，最大主應(yīng)力值為9.89 MPa，出現(xiàn)在0+086 m 斷面345.00 m 高程附近。這一數(shù)值遠小于C30混凝土的強度設(shè)計值，因此不會產(chǎn)生破壞。此外，0+086 m 斷面在蓄水后全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，頂部的應(yīng)力值相對較小，深部的應(yīng)力值相對較大，而0+154 m 斷面的頂部存在一個最大應(yīng)力為1.21 MPa 的受拉區(qū)域，主要位于385.00 m 高程部位。由于最大拉應(yīng)力值較大，該部位有受拉破壞的風險。因此，在大壩建成運行期間，需要重點關(guān)注該部位防滲墻的安全性，一旦發(fā)現(xiàn)墻體存在裂縫應(yīng)及時采取補救措施。

圖2 位移分布計算結(jié)果

表2 墻體應(yīng)力計算結(jié)果MPa

4 結(jié)論

防滲墻是大壩防滲的重要部分，對保證大壩的安全、穩(wěn)定運行具有重要意義。此次研究以遼寧省趙家堡子水電站為例，利用數(shù)值模擬研究的方法，探討和分析了大壩壩基懸掛式防滲墻在大壩運行期的力學位移特征：從位移變形來看，防滲墻的變形量不大，不會對其安全運行造成顯著影響。從應(yīng)力分布來看，運行期防滲墻的壓應(yīng)力有明顯的增加，但不會超過C30 混凝土的強度設(shè)計值，因此不會發(fā)生受壓破壞，防滲墻總體安全、可靠。但是，在大壩運行期間，防滲墻的頂部部分區(qū)域存在受拉區(qū)域，且拉應(yīng)力值較大，存在受拉破壞的風險，需要重點關(guān)注防滲墻的受拉區(qū)域等脆弱部位，一旦發(fā)現(xiàn)墻體破壞需要及時采取工程補救措施。