Corumana水庫心墻壩防滲結構靜、動力特征影響變化研究

熊 平

(江西省水利水電建設集團有限公司，江西 南昌 330000)

防滲結構對水利工程的運營安全具有舉足輕重的作用，在水利大壩、溢洪道、消能池等水工建筑中[1- 2]，研究防滲結構體系的運營安全，有助于推動水工建筑設計及運營水平。探討防滲墻等防滲結構運營安全，主要可通過靜力安全與動力響應抗震特性來評價。董訓山[3]、熊美林等[4]、溫青山[5]為研究防滲墻等水工防滲結構的靜力安全，并探討其應力、位移與上覆土層特性關聯性，采用數值計算方法，從防滲墻的靜力影響變化入手，獲得分析結果，從而為工程設計提供依據。不僅如此，鄧佳等[6]、劉菊蓮[7]、麥麥提明·依比布拉[8]從防滲墻結構自身防滲效果研究入手，采用滲流場模擬計算方法，獲得了有、無防滲墻結構水利設施的流速、壓強等水力參數變化，有助于評價防滲墻設計的合理性與可靠性。從水工設計科學性評價來看，張富有等[9]、季衛星[10]、徐建國等[11]不僅探討防滲結構的靜力特征，同樣采用數值計算方法，針對不同工況的防滲墻結構開展地震動力響應特征分析，研究了動力響應影響變化關系，為工程抗震設計提供了參照。本文為研究Corumana水庫心墻壩防滲結構靜、動力場影響變化，從防滲墻自身材料參數及設計工藝參數入手，綜合靜、動力場維度影響變化特征，探討防滲墻的設計工藝及運營參數最優化。

1 研究方法

1.1 工程概況

作為莫桑比克南部馬普托省重要水利樞紐，Corumana水庫承擔著莫桑比克人民對水資源的渴望，承擔著地區水利建設，為中非友好的重要見證者，設計最大庫容量為1.5億m3。

Corumana水庫樞紐工程按照2期規劃建設，目標乃是提升馬普托省用水安全及保障供水，該樞紐工程建設水利工程設施包括引水工程、擋水工程2個部分，且有發電設施、泄流設施等附屬水利工程建筑。輸供水及引水工程均是一期建設后投入運營，在二期規劃中提升運營能力，而水工防洪建筑乃是一期建設的重點工程。馬普托省該水庫工程規劃主壩為心墻堆石壩，如圖1所示。

結構模型采用瀝青混凝土心墻結構，迎水側蓄水位為117m，采用分層堆筑施工工藝，包括膨潤土、粉土等堆筑料，心墻壩體蓄水后最大沉降為46.5mm。根據對Corumana水庫調研，心墻主壩乃是防洪安全的重要保障，而其自身防滲結構的關鍵為厚度1.6m的防滲墻結構，該結構不僅對壩體自身滲流場安全，也對壩體左、右岸的泄洪閘及溢洪道運營安全帶來影響，因而心墻主壩防滲結構乃是設計研究重點。

圖1 心墻堆石壩

1.2 設計研究

Corumana水庫心墻壩高度為45.5m，主軸線長度為3.05km，局部沉降穩定在0.5～2mm，心墻堤頂寬度為3.6m，曲率為6.5×10-4，彎曲段長度為0.35m，壩體防滲要求最大滲透坡降不可超過0.177，心墻剖面幾何設計如圖2所示。

圖2 心墻剖面幾何設計(單位:m)

心墻壩體防滲墻進入基巖深度為2m，壩體所在場地距離馬普托省地質大斷裂帶直線距離為12.5km，局部區域地震等地質構造活動較活躍。為此，工程設計部門從防滲結構靜、動力2個維度綜合考慮其安全性。

采用CAD平面幾何工具建立心墻壩體模型，并導入HyperMesh網格劃分平臺[12]，生成心墻壩體結構三維有限元模型，且從壩體防滲結構靜、動力場研究角度考慮，取心墻壩3+120～3+320區段內模型為研究對象，如圖3(a)所示。該模型中河道長度為2倍壩高，這也是主軸線心墻壩體研究范圍，壩基為3倍壩高深度，包括基巖及上覆蓋層等，網格單元為四邊形幾何體，模型計算單元、節點數分別為389268、376256個。防滲墻結構為本文研究重點，因而提取防滲墻結構獨立模型如圖3(b)所示，心墻與防滲墻接觸面上為薄層殼體單元接觸，而心墻與壩基間具有防滲墊層，故在接觸面設置cohesive接觸面元面，厚度為0.1m。

圖3 數值計算模型

研究模型靜力場輸入外荷載包括各級加載的堆筑料自重荷載，也包括迎水側靜水壓力等，靜力場研究工況包括蓄水期與竣工期，分別對應有、無水工況，有水工況迎水側水位按照蓄水期水位117m計算，且以防滲墻結構彈性模量為材料參數影響因素，以初始防滲墻結構彈性模量0.8GPa為基準，分別探討防滲墻模量為1.2GPa(1.5倍)、1.6GPa(2倍)、2GPa(2.5倍)、2.4GPa(3倍)時結構靜力場特征。動力場研究重點為防滲墻結構，輸入荷載為馬普托地震波，該動荷載時程曲線如圖4所示，采用振型分解方法進行動荷載疊加計算，初始基頻峰值加速度為0.2g。

圖4 馬普托地震波時程曲線

在動力場計算中，不僅考慮防滲墻初步擬定的厚度1.6m方案，也設定厚度1.2、1.4、1.8、2m 4個對比方案，且在馬普托地震波基頻基礎上，設置0.15、0.25、0.3g 3個對比研究工況。壩體結構物理力學參數按照實際工程材料取值，分別計算探討心墻壩防滲結構靜、動力維度下響應特征。

2 心墻壩防滲結構靜力特征

2.1 應力特征

為研究心墻壩防滲結構靜力場特征，本文從計算結果中提取獲得心墻、防滲結構拉應力特征，如圖5所示。

由圖5中拉應力變化可知，竣工期防滲墻與心墻結構拉應力隨防滲墻彈性模量均為遞增變化，表明防滲結構的彈性模量參數會促進防滲體系張拉應力產生，降低結構抗拉特性；在防滲墻彈性模量0.8GPa時心墻結構的最大拉應力為1.73MPa，而防滲墻模量為1.2、2、2.4GPa時，心墻結構的最大拉應力分別增長了13.5%、37.7%、57.7%，同理防滲墻結構在后三者方案總最大拉應力較前者也分別增大了16.3%、51.9%、68.3%；由此可知，控制防滲墻結構彈性模量，有助于減弱壩體結構張拉破壞危險，提升結構靜力安全[13]。整體上看，當防滲墻結構每增大0.4GPa，則可引起心墻、防滲墻2個結構最大拉應力分別增大12.1%、16.7%，也表明了防滲墻結構張拉應力受其自身模量參數影響敏感度更高。從拉應力值來看，心墻在研究方案中分布為1.73～2.73MPa，而防滲墻結構拉應力較前者結構部位分別具有增幅78.7%～97.2%，即防滲墻結構受拉程度高于心墻，結構監測時應重點關注于此。蓄水期心墻與防滲墻結構的拉應力受防滲墻模量影響變化仍與竣工期一致，但相比之下，受墻體模量影響變幅減弱；從總體方案變幅可知，當墻體結構模量遞增0.4GPa，心墻與防滲墻結構拉應力分別提高7.7%、10.5%。不僅于此，相比竣工期拉應力值，蓄水期拉應力有所降低，心墻與防滲墻在5個模量方案中分別減少了42.3%～49.8%、43.3%～51.5%。由此說明，蓄水期工況會減弱竣工期結構拉應力，此現象與蓄水期靜水壓力上漲，平衡一部分張拉應力有關。總體來看，防滲墻彈性模量控制在較低水平時，對結構靜力安全更為有利。

2.2 變形特征

靜力場特征中不僅有結構應力，也存在結構變形，竣工期與蓄水期防滲墻結構水平與豎向變形特征如圖6所示。

分析位移特征可知，竣工期內防滲墻體彈性模量愈大，防滲墻結構豎向位移愈大，而水平向位移隨之變化較小；當墻體模量為0.8GPa時，防滲墻結構豎向位移為5.8mm，而模量為1.2、1.6、2.4GPa時豎向位移分別增大了10.6%、23.2%、46.2%，模量每變化0.4GPa，可導致結構豎向位移增幅10.1%。不同于此，防滲墻結構水平位移變幅較小，特別是在墻體模量低于1.6GPa時，其水平位移穩定值約為3.63mm，而墻體模量為2、2.4GPa方案時相比前3個方案位移穩定值分別僅增長了14%、25.2%。筆者認為，改變防滲墻結構彈性模量，對結構水平位移影響較小，但豎向位移受之影響較大，結構自重在防滲體系中具有主導作用[14]。

當處于蓄水期時，位移值整體水平均高于竣工期，如水平位移相比增長了33.5%～40.7%，其中以墻體模量2.4GPa方案的增幅為最大，而墻體模量在低于1.6GPa時增幅較低。防滲墻結構豎向位移在蓄水期中增長了43.5%～60.5%，其影響幅度也高于水平位移，表明結構豎向位移不僅受墻體模量影響更為敏感，也受有、無水工況運營影響。在蓄水期，當墻體模量每遞增0.4GPa，可引起結構豎向位移增大11.5%，而水平位移的變幅僅為6.2%。綜合分析可知，控制防滲墻彈性模量，可有效減少防滲墻體沉降變形，且可控制防滲墻水平向位移，保障結構靜力場運營安全。

圖5 心墻與防滲墻結構拉應力影響變化特征

圖6 防滲墻結構位移影響變化特征

3 心墻壩防滲結構動力特征

基于不同基頻幅值地震波荷載的動力響應特征計算，獲得了不同防滲墻厚度方案下墻體結構上加速度響應最大值變化特征，如圖7所示。

由圖7可知，竣工期墻體結構加速度響應值隨防滲墻厚度為遞增變化，地震波幅值0.15g時，墻體厚度每遞增0.4m，可引起防滲墻最大加速度響應值增長25.5%，而基頻為0.2g、0.3g時，防滲墻最大加速度響應值隨厚度參數的變幅分別為20.4%、14.6%，即基頻愈大，則防滲墻受其自身厚度影響敏感愈低。同時，加速度響應值在墻體厚度各方案中影響變幅有所差異，4個基頻方案在墻體厚度1.6m前、后梯次內，分別具有較低、較大的加速度響應增幅，以基頻0.2g方案為例，在墻體厚度1.2～1.6與1.6～2m方案內，響應值分別具有平均增幅9.1%、22.3%，故墻體厚度在動力響應值較低增幅區域內更為合適[11，15]。

蓄水期加速度響應值整體水平低于竣工期，在基頻為0.3g時，各厚度方案中響應值相比竣工期減少了10.7%～17.2%。當然，蓄水期動力響應值隨厚度或隨基頻變化特征與竣工期類似，墻體厚度為1.6m時加速度響應值變幅更利于抗震設計。綜合有、無水2種工況，控制墻體厚度小于1.6m乃是更為理想的抗震設計方案。

圖7 順層岸坡的加速度響應特征

4 結論

(1)防滲墻與心墻拉應力隨防滲墻彈性模量均為遞增，但防滲墻拉應力高于心墻；蓄水期2種結構部位拉應力變化類似，但整體量值水平及變幅均低于竣工期。

(2)受墻體模量影響，防滲墻豎向位移敏感度高于水平位移，且蓄水期位移值高于竣工期，特別以高模量方案增幅更顯著。

(3)防滲墻加速度響應值與墻體厚度為正相關關系，且墻體厚度超過1.6m，響應值增幅較大，地震波基頻愈大，防滲墻動力響應值受墻體厚度影響愈敏感；蓄水期動力響應值變化與竣工期類似，但響應值水平弱于后者。