超深覆蓋層瀝青混凝土心墻壩壩基防滲方案研究

朱 晟，林道通，胡永勝，何順賓

（1.河海大學水文水資源與水利水電工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610071）

0 引言

我國西部地區河流上大壩地基多為深覆蓋層，采用瀝青混凝土心墻與壩基防滲墻共同防滲的土石壩已經得到成功應用[1-8]。擬建中的黃金坪水電站系大渡河干流水電規劃 “三庫22級”的第11級電站，大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩方案，最大壩高95.5 m。河床覆蓋層最大厚度133.9 m，左右兩岸不對稱，以散粒體為主。因河床覆蓋層最大厚度達130余米，考慮到目前國內尚無深度大于100 m的壩基防滲墻的成熟施工經驗，因此難以直接采用封閉式防滲墻方案；如果采用懸掛式防滲墻加帷幕灌漿方案，由于復雜的河谷地形及上部壩體自重與水壓力的作用，可能不利于混凝土防滲墻墻體與瀝青混凝土心墻的受力條件[9，10]；而且為了保證施工工期，需要在防滲墻上設置灌漿廊道，可能存在由于防滲墻復雜的變形分布使得廊道受力條件惡化的問題。為此，本文針對壩址超深覆蓋層的特點，擬定若干組不同的壩基防滲方案，進行應力應變分析，為選取合理的壩基防滲方案提供依據。

表1 土石料計算參數

1 筑壩材料計算模型及參數

不同的壩基防滲方案的大壩應力變形性狀數值分析采用不同的計算模型，堆石體、瀝青混凝土采用鄧肯E-ν非線性彈性模型，混凝土防滲墻、廊道與基座的材料都為混凝土，采用線彈性模型，計算參數見表1～3。

表2 接觸面材料參數

表3 線彈性材料參數

2 不同壩基防滲方案的比較分析

2.1 防滲方案的擬定

為了解不同的防滲墻深度與形式 （懸掛式還是封閉式）、廊道的大小、防滲墻與心墻的連接方式（廊道還是基座）等對大壩結構變形與應力的影響，將壩基防滲方案分為7個組，對應進行應力應變數值分析研究，不同設計方案的具體防滲結構見表4。

2.2 大壩網格剖分與荷載分級

考慮到壩址超深覆蓋層和壩體分區特點，對大壩進行了三維有限元網格剖分 （見圖1）。方案①～⑦整個壩體結構的總結點數分別為11 732、11 746、11 732、11 746、10 579、10 298、12 001個； 總單元數分別為 10 261、10 277、10 261、10 277、9 405、9 297、11 041個?？紤]到壩基混凝土防滲墻的底部常存在少量碎石難以清理干凈，影響防滲墻與巖基之間的相互作用，計算時設15 cm厚的沉渣單元來模擬這種相互作用的影響。對心墻與砂礫料過渡區之間、混凝土基座或廊道與瀝青混凝土心墻之間，設置Goodman接觸面單元，模擬兩種材料交界面的位移不協調問題。

表4 計算方案

圖1 大壩有限元計算網格剖分

考慮到壩體施工分層碾壓填筑和堆石體的非線性特性，采用逐級施加荷載的方式，瀝青混凝土心墻與大壩堆石體同步填筑上升。本次計算按壩體施工填筑的先后次序分16級來模擬，壩體具體填筑分級見圖2。

圖2 大壩填筑分級示意

2.3 方案比較與分析

由于正常蓄水期大壩堆石區和心墻、廊道等防滲體系的應力最大，為控制工況，本文只選取了正常蓄水期的應力變形性狀進行比較。另外，廊道、混凝土防滲墻的拉應力為主要控制應力，故主要選用第三主應力作為比較分析的依據。各方案正常蓄水期的應力、變形計算極值見表5、6。

表5 正常蓄水期各防滲方案的應力計算極值MPa

表6 正常蓄水期各防滲方案的變形計算極值cm

2.3.1 防滲墻 （懸掛式）深度的影響

圖3、4分別給出了廊道尺寸相同而混凝土防滲墻深度不同時防滲墻和廊道的小主應力等值線。結合表5的應力極值可以看出，防滲墻深度加深后，大壩與防滲體系的應力分布規律基本不變。滿蓄期廊道的主拉應力由3.15 MPa減小到2.83 MPa，且絕大部分為壓應力區；防滲墻最大拉應力由2.31 MPa減小到2.18 MPa，防滲墻加深后的拱效應有所改善。另外，從大壩堆石區和防滲體系的變形來看，70 m深防滲墻方案的堆石體豎向位移為108.6 cm，瀝青混凝土心墻的豎向位移為100.7 cm；而90 m深防滲墻方案堆石體的豎向位移為106.2 cm，有所減小，瀝青混凝土心墻的豎向位移為100.6 cm，幾乎不變。防滲墻深度的增加對大壩的變形與應力有利。

2.3.2 防滲墻形式 （懸掛式或封閉式）的影響

圖3 防滲墻小主應力等值線（一）（單位：MPa）

圖4 廊道小主應力等值線 （單位：MPa）

圖5給出了廊道尺寸相同而壩基防滲形式不同時防滲墻的大主應力等值線分布。由圖5可知，兩種不同的布置方式防滲墻的應力差異較大，其中懸掛式防滲墻的大主應力極值為24.21 MPa，大于封閉墻方案，且存在明顯的拱效應，應力條件相對較差。從表5的應力極值來看，當采用封閉式防滲墻方案，滿蓄期廊道的主拉應力極值為1.86 MPa，防滲墻的最大拉應力為1.67 MPa，心墻的豎向應力為2.11 MPa；采用懸掛式防滲墻加帷幕灌漿方案，滿蓄期廊道的主拉應力極值為2.12 MPa，防滲墻的最大拉應力為2.02 MPa，心墻的豎向應力為1.70 MPa?？梢娕c采用封閉式防滲墻相比，采用懸掛式防滲墻加帷幕灌漿方案，由于拱效應，使得廊道、防滲墻的主應力有所增大，分布也更為復雜。從表6的變形極值來看，大壩堆石體和瀝青混凝土心墻的豎向變形有所減小，堆石體的豎向位移由128.0 cm減小至118.5 cm，心墻的豎向位移則由126.2 cm減小至113.2 cm，主要原因可能是采用封閉式防滲墻時開挖地基后回填料力學參數低于原覆蓋層所致。

圖5 蓄水期防滲墻大主應力等值線 （單位：MPa）

2.3.3 廊道尺寸的影響

當廊道尺寸減小后，滿蓄期防滲墻的最大拉應力和心墻的豎向正應力幾乎不變，防滲墻的最大拉應力都在2.30 MPa左右，但廊道的最大拉應力由3.15 MPa減小到3.02 MPa，可見在本工程河谷地形復雜的情況下，廊道尺寸的增加使廊道的拉應力增大，受力條件不利。但從表6也可知道，廊道尺寸減小后，瀝青混凝土心墻的豎向位移有所增大，由100.6 cm增至102.0 cm，其主要原因是廊道尺寸減小后，在廊道底高程不變的條件下，心墻的高度相對增大，考慮心墻和堆石體變形的相關性，使得堆石體和心墻的豎向位移增大。

2.3.4 防滲墻與心墻之間連接方式的影響

圖6給出了地基采用封閉式防滲墻方案、防滲墻與心墻的連接方式不同時防滲墻的小主應力等值線。因采用封閉式防滲墻方案，防滲墻消除了拱效應。當采用廊道連接時，混凝土防滲墻的豎向位移為15.3 cm，廊道的最大拉應力為1.86 MPa。而采用基座相連時，防滲墻的豎向位移為14.3 cm，基座的最大拉應力為1.03 MPa，拉應力值有所降低。但取消廊道采用基座后，由于壩基帷幕灌漿會延長建設工期。

圖6 防滲墻小主應力等值線（二）（單位：MPa）

3 結論

（1）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，不同防滲方案對大壩變形的影響各有利弊。從應力和變形方面考慮，隨著防滲墻深度的增加，防滲墻拱效應有較明顯的改善，堆石體和心墻的豎向位移減小，對大壩的變形與應力有利。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。

（2）取消混凝土廊道而在防滲墻頂部設置基座與瀝青混凝土心墻相連，防滲結構簡單，改善了基座與防滲墻的應力分布，也降低了其最大拉應力值，對大壩的應力和變形有利。但取消廊道后，由于壩基帷幕灌漿干擾大壩施工，將導致樞紐建設工期的延長。

（3）采用地基開挖20 m至1 376 m高程后布置封閉式防滲墻方案，墻體不存在拱效應，防滲墻與廊道的拉應力明顯降低，大壩的應力分布最優。

綜合考慮大壩的應力及變形與施工運行條件，壩基宜采用封閉式混凝土防滲墻和小尺寸廊道防滲方案。

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