金佛山面板堆石壩滲流特性及靜力有限元分析

徐家始，卓莉，謝紅強*，肖明礫

(1.重慶市金佛山水利水電開發有限公司，重慶，401336；2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室水利水電學院，成都，610065)

1 引言

混凝土面板堆石壩的經濟適用性、施工效率、結構穩定性、安全可靠度以及抗震性能較好，從勘察、設計以及施工運行全過程均表現出巨大的優越性，已成為現階段頗具競爭力且使用廣泛的實用壩型之一[1]。我國在20世紀80年代開始采用碾壓式的混凝土面板堆石壩，經過近40年的發展，在設計和施工方面都積累了豐富的經驗，隨著研究的深入，在堆石壩理論研究、分析方法以及安全監測等方面都取得了大量的成果[2]。

堆石體作為面板壩結構的主體，其變形控制和壩體變形協調成為大壩結構安全的決定性因素[3-5]，壩體的應力應變分析是面板堆石壩設計工作中必不可少的一部分，對設計和施工具有重要的指導意義[6-7]。為全面快速地評價大壩設計合理性，數值模擬成為了分析壩體變形應力規律的有效手段。因此，本文結合金佛山面板堆石壩壩區地質水文資料及設計方案，開展典型剖面的壩體及地基的有限元模擬。揭示壩體-壩基的滲流特性和壩體靜力結構特性，為滲控措施有效性及壩體安全穩定性評價提供科學依據。

2 工程概況及模型

2.1 工程概況

金佛山水利工程是以灌溉、供水為主，兼顧發電等綜合利用的水利工程。壩址以上控制集雨面積為180.8km2，水庫總庫容1.01億m3，攔河壩壩型為混凝土面板堆石壩，設計壩頂高程839.80m，壩頂寬9.0m，最大壩高109.80m，壩頂軸線長298.20m。堆石壩上下游邊坡均采用1∶1.4。壩體典型斷面如圖1所示，根據水庫調洪演算，正常蓄水位壩前水位為836m，下游水位為738.9m。

壩體從上游向下游依次分為：蓋重區、上游粘土鋪蓋區、墊層區、特殊墊層區、過渡區、主堆石區、次堆石區、排水堆石區。壩體墊層料、過渡料、主堆石采用甑子巖灰巖料；次堆石區主要采用甑子巖灰巖料以及大壩泄洪放空建筑、左岸近壩庫岸邊坡開挖的小河壩組新鮮及風化石英粉砂巖開挖料和頁巖料；壩體填筑材料不足部分采用貓千溝堆料場材料。

圖1 大壩典型斷面

2.2 典型剖面有限元模型

針對壩體區域的地形地質條件，結合壩體結構與地基空間相對位置，沿壩軸線選取2個典型剖面進行有限元計算，分別為壩體最大剖面5-5剖面(壩X0+050)、建基面起伏較大剖面9-9剖面(壩X0+190)，如圖2、圖3所示。

圖2 壩體最大剖面(5-5剖面)有限元計算模型

圖3 建基面起伏較大剖面(9-9剖面)有限元計算模型

有限元計算模型建立時充分考慮壩體的各滲透分區及填筑材料分區界限。整個計算域采用空間八節點等參單元進行離散(局部考慮材料介質過渡和地形變化等因素退化為三棱柱和四面體單元)，整個計算模型根據地層及壩體分區分為多個材料區域。

2.3 材料力學參數

壩體墊層料、過渡料、主堆石采用甑子巖灰巖料；次堆石區主要采用甑子巖灰巖料、大壩泄洪放空建筑、左岸近壩庫岸邊坡開挖的小河壩組新鮮及風化石英粉砂巖開挖料和頁巖料；795m高程以上壩體筑壩材料采用貓千溝堆料場材料。根據地勘提供的參數建議值以及填筑材料試驗研究確定各分區材料的計算力學參數，詳見表1-表3。

表1 混凝土面板及基巖力學參數

表2 壩體主要材料滲透系數參數取值

表3 壩體及地基材料的鄧肯-張(E-B)模型參數

3 壩體及壩基滲流特性研究

為準確反應水庫蓄水期壩體和壩基滲透特性，以及滲流對壩體的影響，在分析壩址區地形、地質、水文以及壩體結構滲透特性的基礎上，基于ANSYS計算軟件對壩體滲流開展分析。

圖4、圖5分別給出了不同壩體及地基典型剖面在正常蓄水工況下的壓力水頭等值線圖。由浸潤線可以看出，壩體的滲透壓力在面板和防滲帷幕部位急劇下降，壩體填筑材料基本處于浸潤線以上，有利于壩體的穩定，下游溢出點高程與下游河床基本齊平。

圖4 正常蓄水條件下5-5剖面滲透壓力等值線

圖5 正常蓄水條件下9-9剖面滲透壓力等值線

表4給出了不同剖面面板、防滲帷幕及地基在正常蓄水條件下的滲流量。在正常蓄水條件下壩址區柏枝溪響水河段(河床平均寬度36m)的多年平均流量為4.14m3/s，從表中可以看出各剖面的總滲漏量與來流量的比值極小，面板和防滲帷幕的防滲性較好，通過地基(基巖)產生的滲流約占總滲流量的85.53%、72.53%。

表4 正常蓄水條件下壩體及地基的滲流量統計

圖6給出了不同剖面在正常蓄水工況下地基的滲透比降等值線分布圖。從圖中可知，5-5剖面、9-9剖面地基的滲透比降最大值出現在高高程防滲帷幕區域，分別為0.80、0.36，均小于強風化基巖的允許滲透比降5，地基不會發生滲透破壞。

(a)5-5剖面

(b)9-9剖面

表5給出了面板及防滲帷幕特征部位的滲透比降值。從表中可知，在正常蓄水條件下面板的滲透比降極值出現在面板上部水位線區域，5-5剖面、9-9剖面的比降極值分別為141.32、138.24，均小于面板堆石壩面板控制坡降200。防滲帷幕的滲透比降量值均較小，最大值出現在防滲帷幕頂部，5-5剖面、9-9剖面防滲帷幕滲透比降極值分別為5.06、1.21，遠小于防滲帷幕的允許坡降50，不會發生滲透破壞。

表5 正常蓄水條件下面板及防滲帷幕特征部位的滲透比降

4 壩體堆石體變形及應力特性分析

4.1 壩體堆石體位移分析

圖7、圖8給出了不同剖面完建期壩體位移等值線圖。從圖中可以看出不同剖面壩體的沉降規律基本一致，壩體鉛直向位移以沉降為主，極值發生在壩體中部，但由于不同剖面建基面高程、形態以及壩體填筑高度不同，鉛直向位移的量值不同。9-9剖面建基面整體高程較高，其鉛直向沉降較小。5-5剖面、9-9剖面的最大沉降值分別為-46cm、-25cm。

(a)壩體施工期順河向位移(cm)

(b)壩體施工期鉛直向位移(cm)

(a)壩體施工期順河向位移(cm)

(b)壩體施工期鉛直向位移(cm)

順河向位移以壩軸線為中線，壩軸線上游側壩體順河向位移主要向上游變形，壩軸線下游側順河向位移主要向下游變形。受壩體分層填筑影響，壩軸線上游側及下游側順河向位移的極值均出現在壩體中部高程。5-5剖面處于河谷中心，建基面高程變化幅度較小，但因下游側受次堆石填筑材料影響，下游側壩體的順河向位移較上游側大，上游側壩體和下游側壩體順河向位移分別為-2.5cm、4.5cm；9-9剖面受建基面起伏影響，上游側的填筑高度較下游側大，上游側壩體和下游側壩體順河向位移分別為-7.0cm、5.0cm，受壩軸線部位建基面的抬升，位移極值出現部位較5-5剖面位移極值向上、下游壩面移動。

圖9、圖10給出了運行期壩體位移的分布規律。從圖中可以看出運行期壩體的位移受上游水荷載的影響較大，鉛直向位移分布規律與完建期基本相同，量值有所增加；順河向位移分布規律及量值較完建期均出現較大差異。鉛直向位移以沉降為主，極大值出現在壩體中部，5-5剖面、9-9剖面的最大沉降值分別為-50cm、-28cm，較完建期的沉降變形分別增大4cm、5cm。順河向位移受上游水推力作用，壩體整體向下游變形，5-5剖面壩體順河向位移極值出現在上游壩面中部高程，約為18.0cm；9-9剖面壩體順河向位移極值出現在次堆石靠近下游壩面中部高程，約7.0cm。

(a)壩體運行期順河向位移(cm)

(b)壩體運行期鉛直向位移(cm)

(a)壩體運行期順河向位移(cm)

(b)壩體運行期鉛直向位移(cm)

4.2 壩體堆石體應力分析

圖11、圖12給出了不同剖面壩體完建期應力分布規律及應力水平狀態。從圖中可知，壩體基本處于壓應力狀態，量值隨著壩體高程的增加而逐漸降低，壩面應力量值較壩內應力量值小，大主應力極大值出現在壩體中間底部區域，小主應力極小值出現在壩面區域。壩體應力水平在上下游壩面中部、次堆石的應力水平相對較高，極值出現在壩面部位，但均小于1.0。

(a)壩體完建期大主應力(MPa)

(b)完建期壩體小主應力(MPa)

(c)完建期壩體應力水平

(a)完建期壩體大主應力(MPa)

(b)完建期壩體小主應力(MPa)

(c)完建期壩體應力水平

圖13、圖14給出了運行期壩體應力分布規律及應力水平狀態。從圖中可知，壩體的大小主應力隨著壩體高程的增加而逐漸降低，壩體基本處于壓應力狀態，大主應力極大值出現在壩體底部區域，小主應力極小值出現在壩面區域，量值較完建期應力量值有所增加。在正常蓄水條件下，上下游壩面中部、次堆石的應力水平相對較高，極值出現在上游壩面，均小于1。5-5剖面應力水平極大值為0.90；9-9剖面應力水平極大值為0.75。

(a)運行期壩體大主應力(MPa)

(b)運行期壩體小主應力(MPa)

(c)運行期壩體應力水平(MPa)

(a)運行期壩體大主應力(MPa)

(b)運行期壩體小主應力(MPa)

(c)運行期壩體應力水平(MPa)

5 壩體面板變形及應力分析

5.1 壩體面板位移分析

表6給出了不同工況下壩體面板特征部位的位移量值。從表中可知，完建工況下面板位移量值隨面板高程降低逐漸增大，受上游鋪蓋和蓋重作用，面板位移極大值出現在鋪蓋中部高程。運行期在上游水荷載、面板自重、上游粘土鋪蓋及蓋重作用下，面板出現較大的指向下游的變形，面板位移極值出現在面板中部高程區域，變形量值較完建期有較大的增加。5-5剖面面板運行期位移極值約為30.77cm；9-9剖面面板運行期位移極值約為17.31cm。

表6 壩體面板特征部位的位移值 (單位：cm)

5.2 壩體面板應力分析

表7給出了壩體面板特征部位的應力值。完建工況下在面板自重、上游粘土鋪蓋及蓋重作用下，混凝土面板的大主應力基本為壓應力，并隨面板高程的降低而增大。在運行工況水荷載作用下，鋼筋混凝土面板局部區域出現拉應力，拉應力主要由鋼筋混凝土的受力鋼筋承擔，若配筋滿足抗裂驗算便能保證防滲體系的安全及有效性。

表7 壩體面板特征部位的應力值 (單位：MPa)

6 結論

通過對金佛山面板堆石壩的滲流特性和靜動力結構特性分析，主要得出以下結論：

(1)在正常蓄水條件下壩體的滲透壓力在面板和防滲帷幕部位急劇下降，壩體基本處于浸潤線以上，下游溢出點高程與下游河床基本齊平，有利于壩體的穩定。經過防滲體的滲流量約占總滲流量的15%～27%，面板及防滲帷幕防滲效果明顯。面板、防滲帷幕、地基基巖的滲透比降均小于相應的允許坡降，壩體及壩基在面板和防滲措施有效運行條件下不會出現滲透破壞。

(2)完建期和運行期壩體的變形符合土石壩變形的一般規律，壩體鉛直向沉降極值出現在壩體內中部高程，向壩面及壩基方向逐漸減小，順河向位移以壩軸線為中線分別向上下游臨空面變形。

(3)壩體基本處于壓應力狀態，上下游壩面中部高程、次堆石的應力水平相對較高，極值出現在壩面部位，但均小于1.0，應嚴格控制上游墊層區域及下游壩面部位的材料填筑碾壓質量，以保證安全性。