基于ABAQUS的瀝青混凝土心墻與基座連接型式研究

彭兆軒，柳 瑩，李 江

(新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

20世紀70年代，瀝青混凝土防滲技術在新疆水利工程建設中拉開嶄新的序幕，90年代以后瀝青質量得到了顯著的提高[1]。在“北克南庫”(北疆為克拉瑪依瀝青，南疆為庫車瀝青)分布格局的背景下，瀝青混凝土心墻壩因其自身適應各類地形地質條件、防滲性能好、抗震能力強、取材方便、氣候條件影響小等諸多優點，目前正在如火如荼的建設中，在新疆山區水庫建設中穩居第一。許多學者對瀝青心墻壩進行了大量而深入的研究。汪洋以庫什塔依水電站為例，分析了瀝青混凝土心墻壩冬季施工工藝，縮短了施工工期，提前發揮了電站的經濟效益[2]。楊超等人研究了不同河谷形狀對瀝青心墻壩的影響，河谷寬度會直接影響心墻底部拱效應的大小，河谷兩側陡緩將影響壩體拉應力范圍和量值[3]。王建祥、吳海林及吳俊杰等人通過有限元計算，分析了瀝青心墻發生水利劈裂的可能性大小[4- 6]。陳松、李艷波及劉玉杰等人以某工程為例，計算并分析了瀝青混凝土心墻壩的應力應變狀態以及滲透穩定性等[7- 9]。朱晟和伍小玉等人分析了黃金坪水電站深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩壩基的防滲型式，考慮廊道在中的布置方式，研究了廊道不同尺寸下壩體的應力應變狀態，適當減小廊道尺寸后，可改善其應力條件，但心墻的豎向位移會略微增大[10- 11]。趙一新等人以新疆下板地瀝青心墻壩為典型案例，分析了壩基廊道在竣工期和運行期的應力應變狀態，結果表明兩階段在廊道頂部均出現應力集中現象，運行期時頂部可能會產生惡破壞[12]。

通過對近年來有關瀝青心墻壩研究成果的梳理，不難發現，大多都是研究瀝青心墻壩的施工工藝、發生水利劈裂的可能性以及大壩整體的靜動力分析，而對于心墻底部是否設置連接廊道的問題研究甚少。雖然有部分學者研究了心墻底部廊道的應力變形狀態，但都是廊道在中的布置方式。瀝青心墻與壩基防滲體之間的連接型式分為無廊道方案、廊道在中方案和廊道在側方案3種。本文通過ABAQUS有限元分析軟件，結合新疆某具體工程實例，計算并分析了廊道在側的布置型式下廊道自身及壩體的應力應變規律。

1 工程概況

尼雅水利樞紐工程位于尼雅河中上游河段，新疆維吾爾自治區和田地區民豐縣境內，樞紐區東距烏魯木齊市1300km，西距和田市390km，北距民豐縣90km，樞紐區距下游G315國道70km。尼雅水利樞紐工程是尼雅河流域規劃推薦的一期重點工程，具有防洪、灌溉、發電等綜合利用功能。水庫總庫容4069萬m3，正常蓄水位2663m，死水位2615m，控制灌溉面積10萬畝，電站裝機容量6000kW，多年平均發電量1827萬kW·h，屬Ⅲ等中型工程。樞紐工程由攔河壩、左岸溢洪洞、右岸泄洪沖沙洞、發電引水系統等組成。大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高131.8m。瀝青混凝土心墻厚度基本按照壩高的1/100設計，心墻頂寬0.6m，采用變臺階式設計，按高程加厚，底部采用放大基礎與混凝土基座相連，底寬1.4m。瀝青混凝土心墻的基本要求：要有一定的強度又要有一定的柔性，滲透系數不大于1×10-7，碾壓后的瀝青混凝土孔隙率不大于3%，碾壓后的容重控制在2.4g/cm3。

2 有限元計算

2.1 計算模型及邊界條件

針對尼雅水利樞紐壩址河床部位的地形地質情況，采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS進行大壩三維有限元計算分析，選取大壩典型橫剖面，沿厚度方向拉伸20m。根據一般工程經驗及本工程實際地質條件，有限元模型地基深度及上下游長度均為最大壩高的1.5倍，網格類型基本為六面體單元，局部采用四面體單元過度，共232870個單元，254248個節點。本次計算選用笛卡爾直角坐標系，X向為順河向，從上游指向下游為正；Y向為豎向，沿壩高方向從下向上為正；Z向為壩軸向，從左岸指向右岸為正。地基上游側和下游側分別施加法向約束，底部施加固定約束，即固定支座。

2.2 計算假定與邊界條件

在進行有限元模型數值分析時，通常有如下假定：各材料的密度、彈模以及泊松比等為各項同性；混凝土、弱風化巖以及微風化巖按照線彈性模型來考慮；壩體與地基的接觸作用通過彈塑性模型模擬。地基上游側和下游側分別施加法向約束，底部施加固定約束，即固定支座。

2.3 本構模型及參數

瀝青混凝土心墻壩壩體填筑分區從上游至下游分為上游爆破料填筑區、上游砂礫料填筑區、上游過渡層區、瀝青砼心墻、下游過渡層區、下游砂礫料填筑區、下游爆破料填筑區。通過大量工程材料試驗表明，爆破料、砂礫料、過渡料以及心墻均呈現出非線性的應力應變特性，鄧肯-張本構模型和南水模型雖然均能較好地模擬其力學特性，但鄧肯張模型計算結果偏于保守。本工程壩高131.8m，心墻高度132.9m，屬于全國心墻最高壩，考慮到工程安全性，采用鄧肯-張E-B非線性彈性本構模型，而對于混凝土基座、帷幕灌漿及地基巖體則采用線彈性模型進行模擬。以施工期為例，分18步逐層填筑至壩頂。壩體各分區材料以及壩基巖體參數見表1—2。由于壩體與地基巖石材料性質差異很大，如單純地考慮綁定約束，則計算結果一般情況下偏于安全，不能真正反映應力與位移之間的關系。因此，對于壩體與地基的接觸面，通過無厚度Goodman接觸單元進行模擬，可真實地反映二者之間的不連續變形特性，接觸模型參數根據類似工程經驗選取，具體參數取值詳見表3。

表1 瀝青混凝土心墻壩有限元計算鄧肯-張E-B本構材料參數

表2 瀝青混凝土心墻壩有限元計算線彈性材料參數

表3 Goodman接觸面模型參數

3 計算結果分析

通過多年實踐經驗總結，針對不同深度覆蓋層材料特性，提出了不同的防滲型式。對于淺深(小于20m)覆蓋層，采用挖除置換的方式進行處理；中深(20～50m)覆蓋層，以防滲墻全斷面防滲為主；超深(大于50m)覆蓋層，逐漸采用以防滲墻為主、墻幕結合的防滲體系，壩基防滲效果顯著提升。瀝青混凝土心墻與基礎防滲體之間的連接型式是制約瀝青心墻壩防滲效果的重要因素之一，是否設置連接廊道成為當前具有爭議的話題。由于心墻設置在壩體內部，不易監測與檢修，如發生滲漏則處理較為困難。因此，早期的百米級瀝青心墻壩均考慮設置底部灌漿廊道，一是方便灌漿施工，二是便于檢修。如20世紀90年代建設的茅坪溪水庫和冶勒水電站心墻與基礎防滲之間采用了廊道居中的連接型式；21世紀初，在新疆下坂地水庫建設中，采用了廊道在側的連接型式。隨著在深厚覆蓋層上修建瀝青心墻壩的工程增多，如采用懸掛式防滲墻、混凝土廊道和瀝青混凝土心墻共同組成大壩的防滲體系時，從應力和變形方面考慮，隨著廊道尺寸的增加，對防滲墻、廊道、心墻的受力條件不利，同時運行的可靠性也會降低。以尼雅水利樞紐工程為例，通過ABAQUS有限元軟件模擬壩體的施工過程，并對有無廊道2種方法進行了對比研究，壩體最大斷面豎直向位移如圖1所示。圖中“+”在位移圖中表示與該坐標軸指向一致，在應力圖中表示為拉應力；“-” 位移圖中表示與該坐標軸指向一致，在應力圖中表示為壓應力。

圖1 壩體豎直向位移云圖(單位：m)

圖1反映了有無廊道2種防滲連接型式下，壩體的豎向位移。從圖1可以看出，2個連接方案計算出來的壩體沉降規律基本一致，最大沉降量為0.64m，約占壩高的0.48%，發生在壩體中心，距壩頂1/2的位置，符合壩體變形一般規律。由于隧洞尺寸相對于整個壩體來說非常小，無論是從大壩位移云圖還是應力云圖均無法直觀地觀察兩方案下的差異性。因此，可通過ABAQUS顯示與隱藏功能，顯示壩體結構某部分的應力云圖。瀝青混凝土心墻的大小主應力如圖2—3所示，基座和廊道的大小主應力如圖4—5所示，帷幕灌漿的大小主應力如圖6—7所示。

通過圖2—3可以看出，瀝青混凝心墻以受壓為主且壓應力隨著心墻高程的降低而呈現出逐漸增大的趨勢。壩頂處的心墻受到的壓應力最小，無廊道方案大主應力82.86kPa、小主應力255.0kPa，有廊道方案大主應力81.48 kPa、小主應力254.6kPa；心墻底部基座附近受到的壓應力最大，無廊道方案大主應力1500kPa、小主應力1995kPa，有廊道方案大主應力1117kPa、小主應力1755kPa。從心墻應力分布規律不難發現，采用有廊道方案時，心墻受到的壓應力比無廊道方案小，產生這一現象的原因可能是設置廊道后，心墻受到的壓應力部分傳遞到廊道上，由廊道和心墻共同承擔。這樣雖然改善了心墻的應力狀態，但廊道的應力條件可能會進一步惡化。

圖2 瀝青混凝土心墻大主應力云圖(單位：kPa)

圖3 瀝青混凝土心墻小主應力云圖(單位:kPa)

從圖4中可以看出，兩種連接方案下基座大主應力均以拉應力為主。采用無廊道方案時，混凝土基座受到的最大拉應力為3335kPa，發生在基座與帷幕灌漿的接觸面上，在大壩竣工期或運行期均有可能發生拉裂破壞，所以在對混凝土基座結構設計時，應適當地考慮設置鋼筋；最大壓應力為528.7kPa，發生在心墻與基座連接的接觸面上以及混凝土基座兩側底部。采用有廊道方案時，最大拉應力為4855kPa，發生在廊道頂部且出現應力集中現象，比無廊道方案最大拉應力大了1520kPa，將近是無廊道方案的145.6%。由此可見，設置廊道后，拉應力增幅顯著，頂拱處極易造成拉裂破壞，即使設置鋼筋等防護措施也難保結構安全，新疆下板地水庫設置廊道后，水庫在運行期發現廊道拉裂破壞，出現嚴重扭曲、滲漏破壞。

圖4 基座或廊道大主應力云圖(單位:kPa)

從圖5中可以看出，兩種防滲連接型式下，廊道和基座小主應力均為壓應力。無廊道方案最大壓應力為5925kPa，發生在心墻與混凝土基座連接處，基座兩側壓應力較??；有廊道方案最大壓應力為16070kPa，發生在廊道頂拱內表面。通過兩方案對比，明顯看出，有廊道方案應力增加較多，最大壓應力竟增加了171%，應力條件較差，而取消廊道后，無論拉應力和壓應力均有所減小，改善了基座領域應力應變狀態。

圖5 基座或廊道小主應力云圖(單位:kPa)

由圖6—7可知，不同的防滲連接型式下，帷幕灌漿的大小主應力分布規律且均以壓應力為主。采用無廊道方案時，帷幕大主應力從上至下呈現出先增大后減小的變化趨勢，最大壓應力為172.7kPa，出現在帷幕中上部；小主應力分布的規律性沒有大主應力明顯，但應力較大的部分主要集中在帷幕與基座連接的接觸面上，最大壓應力可達522.5kPa。采用有廊道方案時，大主應力分布規律與無廊道方案類似，帷幕中上部的壓應力最大，為183.9kPa；小主應力最大壓應力出現在帷幕頂部偏左的位置，大小為557.1kPa。產生這一現象的原因，是由于本方案采用的是廊道在側，心墻在廊道偏左的位置，造成壓應力傳導在帷幕頂部左側。從以上應力分布規律不難發現，設置廊道后，帷幕所受的大小主應力均大于無廊道方案。

施工期有無廊道方案下壩體各部位應力極值見表4。

從表4匯總結果可直觀地發現，當設置廊道時，最大壓應力為1959 kPa，出現在廊道兩側和底部；最大拉應力達到4855 kPa，出現在廊道頂拱部位，極易造成廊道拉裂破壞，不利于壩體安全運行及防滲要求。當取消廊道后，基座的最大拉應力和最大壓應力較有廊道方案均有減小，其應力值分別為3335 、528.7 kPa，采用瀝青心墻與混凝土基座直接相連，防滲結構簡單，改善了基座領域的應力應變條件，減小了大壩的安全隱患。瀝青心墻和帷幕主要承受壓應力，有廊道方案瀝青心墻的大小主應力極值比無廊道方案略有減小，但其相差不大；有廊道方案帷幕的大小主應力極值分別為183.9、557.1 kPa，而無廊道方案中帷幕的大小主應力極值分別為172.7 、522.5 kPa，由此可見取消廊道也可改善帷幕的受力條件。設置廊道時便于灌漿施工、干擾少，基礎出現問題便于檢修，但是廊道容易出現大變形、易開裂、滲水等情況。對于是否設置連接廊道，至今還沒有明確的定論，仍需根據工程實際情況做充分的考慮。

圖6 帷幕大主應力云圖(單位:kPa)

圖7 帷幕小主應力云圖(單位:kPa)

表4 施工期有無廊道方案下壩體各部位應力極值 單位：kPa

4 結論

采用無廊道連接方案雖不便于心墻檢修，但可改善基座鄰域的受力條件，有利于壩體結構安全，而設置廊道連接時，則極有可能會引發廊道頂拱拉裂破壞，造成水庫大壩運行期產生嚴重的滲漏問題，危及大壩穩定。因此，設置連接廊道方案是弊大于利，具體水庫工程也需因地制宜，綜合考慮。本文計算時只考慮了廊道在側的連接方案，并未統籌考慮無廊道、廊道在中、廊道在側以及廊道尺寸大小等對壩體、心墻、基座、防滲墻等的影響情況，今后仍需做進一步的研究。