徐 晗，饒錫保，潘家軍，黃 斌，陳 云

(長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究概況

西南地區(qū)設計和規(guī)劃中的高壩大庫，隨著壩高的增加，具有普遍性的關鍵技術問題主要有:高壩設計理論面臨新的突破，300m級的高壩近10座，建成后均將成為世界之最(如小灣和錦屏一級高拱壩;瀑布溝、糯扎渡、兩河口和雙江口高土石壩);地震烈度高，峰值加速度最高可達到0.6 g;覆蓋層深厚，最深可超過 100m［1－3］。根據(jù)國家水電資源開發(fā)的需要，無法回避在西部地區(qū)深厚覆蓋層上建200m級高土石壩的重大技術問題［4］。目前國內外尚未有直接在百米級深厚覆蓋層上建成壩高超過200m高土石壩的工程實例和設計經驗［5］。

深厚覆蓋層上建高土石壩，常采用的防滲體系的形式為在防滲墻頂部建立剛接的灌漿廊道，然后在廊道外包大塊高塑性黏土。但在百米覆蓋層上建設超過200m的高土質心墻壩再采用這種傳統(tǒng)的防滲結構形式是不適合的，因為防滲墻與覆蓋層之間的沉降差較大，且由于壩高超過200m，經過廊道傳到防滲墻上的壓力也是非常巨大的，當防滲墻的壓應力超過一定的極限后會誘發(fā)受壓破壞，已不適合采用傳統(tǒng)的土質心墻或趾板直接建在覆蓋層上的結構形式，需要深入研究新型壩體結構。

針對深厚覆蓋層上修建土石壩提出了一個新型結構體系，即直接在覆蓋層上建“混凝土蓋板”，混凝土蓋板中設置大型廊道，可以在大型廊道中施工修建防滲墻，由覆蓋層中的防滲墻、混凝土蓋板及以上的壩體形成完整的防滲體系，對這種新型結構尚需要準確掌握靜力作用下覆蓋層、壩體、混凝土蓋板及防滲墻的應力與變形特征，并評價這種新型結構的結構安全性和適應性。

2 計算模型及計算參數(shù)

對某百米覆蓋層上的200m級高土質心墻堆石壩，采用該類型的新型結構進行了計算，如圖1所示。其中壩底高程為0m，壩頂高程為223 m，水位高程為180m，覆蓋層厚約 100m。上游坡比1∶2.25，下游坡比為1∶2。

圖1 新型結構示意圖Fig.1 Sketch of the new structure

新型結構的細部示意圖見圖2，其中混凝土蓋板高 30m，底寬為36m。中空廊道寬 7 m，高10.5m，底板為5m厚。蓋板上下游兩側可采取黏土心墻的斜率1∶0.2。蓋板的設置范圍不要太寬，一般為心墻底部斷面的1/3即可。

對新型結構進行非線性有限元計算，詳細地分析了混凝土蓋板、防滲墻之間的相互作用，并對混凝土蓋板及其周邊壩體區(qū)域和混凝土防滲墻應力應變的影響進行了系統(tǒng)的研究。

圖2 新型結構細部示意圖Fig.2 Detailed sketch of the new structure

由于設置蓋板方案的目的是為了能在大型廊道中施工防滲墻，一方面能顯著縮短工期;另一方面能減輕上部壩體傳到防滲墻上的壓應力。為了研究防滲墻的施工順序對防滲墻及混凝土蓋板的影響，設置了如下的3個計算方案進行對比，具體見表1。

表1 計算方案Table 1 Computational schemes

壩體計算參數(shù)根據(jù)國內待建的超過200m高土質心墻堆石壩進行選取，針對百米級深厚覆蓋層上的高土質心墻堆石壩新型壩體結構進行三維有限元計算，研究各新型壩體結構設計方案下壩體和混凝土蓋板的應力與變形特征，評價其在高應力、高水頭作用下的結構安全性。本次靜力計算采用的鄧肯張E－B模型參數(shù)見表2。

為了準確計算防滲墻與覆蓋層之間的相互作用，在各種剛度不連續(xù)的界面上設置了如下的接觸單元。采用無厚度的接觸摩擦單元模擬了各種剛度差異較大之間的力學特性，覆蓋層與防滲墻之間的摩擦角為11°。

3 計算結果分析

3.1 壩體的變形

壩體的沉降和水平位移等值線圖如圖3與圖4所示，可知豎向位移為5.5m，水平位移為1.6m。由于覆蓋層②為軟弱夾層，因此覆蓋層的沉降較大，最大值為3.1m左右，壩體自身的沉降約為2.4m。因此，覆蓋層與防滲墻之間的沉降差會引起防滲墻較高的壓應力。

圖3 水平位移等值線Fig.3 Horizontal displacement contours of the dam

圖4 豎向位移等值線Fig.4 Vertical displacement contours of the dam

3.2 防滲墻和蓋板的應力

3種工況下典型蓄水期防滲墻位移曲線、應力狀態(tài)分別如圖5、圖6所示。

圖5 蓄水期防滲墻位移曲線Fig.5 Displacement curves of cutoff wall in storage period

表2 計算采用的鄧肯E-B模型參數(shù)Table 2 Duncan E-B model parameters for calculation

可知防滲墻水平位移最大為68cm，對3種工況來說，防滲墻的水平位移主要是蓄水期水壓力作用引起的，由于3種工況的水壓力基本上是一樣的，因此，防滲墻施工順序對防滲墻水平位移影響較小。工況2為壩體填筑完后再打防滲墻，在水壓力作用下蓄水期防滲墻有一定程度的上抬。

圖6 蓄水期防滲墻應力狀態(tài)Fig.6 Stress status of cutoff wall in storage period

由圖6蓄水期防滲墻應力狀態(tài)可知，防滲墻伸入混凝土蓋板底板的部分由于受到兩側邊的約束作用，雖然能上下移動，但伸入部分隨著蓋板的不均勻沉降導致該處產生一定的扭轉并引起扭矩，造成該處的表面拉應力達到4.5MPa，改進措施是減小蓋板的不均勻沉降，這就需要對蓋板底部的地基進行一定的加固處理。對于工況2來說，由于竣工期防滲墻的壓應力較小，蓄水期間靜水壓力作用下防滲墻就成了偏心受拉構件，因此該工況的防滲墻拉應力會較大，最大達到了11.9MPa。而工況1與工況3蓄水前由于防滲墻兩邊覆蓋層的沉降引起防滲墻一定程度的壓應力，蓄水后即使受到靜水壓力作用仍為偏心受壓構件，沒有出現(xiàn)較大的壓應力。可知，對于新型結構來說，防滲墻的壓應力在合理的范圍之內。

混凝土蓋板主應力云圖見圖7所示，蓋板的受力較為復雜，但應力狀態(tài)受防滲墻施工順序的影響較小，3種不同工況下竣工期、蓄水期蓋板的應力極值均較為接近。在蓋板的底部受到土的反力作用，同時由于中空廊道的削弱效應，使得蓋板中空處底板相當于懸臂地基梁，會承受一定的彎矩，彎矩引起底部表面的拉應力，因此，中空廊道底板需要一定的厚度才能夠達到規(guī)定的要求，改進措施為將中空廊道底板加厚。

圖7 蓄水期蓋板的應力狀態(tài)Fig.7 Stress status of concrete slab in storage period

在蓋板的頂部，由于兩傾斜側邊不均勻荷載作用引起的彎矩造成蓋板頂部也有一定的拉應力，但拉應力值不大。蓄水期上游部分水位上升會在蓋板底部引起一定的靜水壓力增加，而下游部分蓋板底部靜水壓力幾乎不變，從而引起蓋板一定程度的旋轉，該旋轉效應會在廊道頂部造成壓應力集中區(qū)域，各工況壓應力極值為－24.5MPa。

4 結論

表3 防滲墻和蓋板的主應力Table 3 Principal stresses of cutoff wall and concrete slabMPa

(1)新型結構的主要優(yōu)點是避免了防滲墻頂端受到上部壩體傳過來的巨大壓應力，能充分減小防滲墻的壓應力，同時能在廊道里進行防滲墻施工，在受力性能、施工組織上是較為積極的處理方式，本次應力、變形的計算結果顯示該新型結構有相當?shù)目尚行浴?/p>

(2)由于新型結構的優(yōu)點是能在廊道中進行防滲墻施工，因此需要設置大型的中空廊道，為了減小中空廊道對混凝土蓋板剛度削弱的影響，混凝土蓋板的底板需要達到一定的厚度，同時混凝土蓋板也需要達到一定高度。

(3)防滲墻蓄水前受到一定的壓應力是有益的，該壓應力可確保在靜水壓力作用下防滲墻仍為偏心受壓構件，這樣就不會出現(xiàn)較大的拉應力;如果減小防滲墻的壓應力到一個極端的情況，則蓄水期間靜水壓力作用下防滲墻就成了偏心受拉構件了，而混凝土基本上是受壓不受拉的材料，因此不能采用這種施工方式。

(4)總的來說，混凝土作為一種能受壓不受拉的優(yōu)良建筑材料，進行結構設計應該充分發(fā)揮其建筑材料的特點，從這個觀點來說，需要進一步在結構上進行細化，針對受拉較為集中的部位開展優(yōu)化設計，以減小拉應力。

［1］酈能惠，米占寬，李國英，等.冶勒水電站超深覆蓋層防滲墻應力變形性狀的數(shù)值分析［J］.水利水運工程學報，2004，(1):18－23.(LI Neng-hui，MI Zhankuan，LI Guo-ying，etal.Numerical Analysis of Stress Deformation Behavior of Concrete Diaphragm Wall in Supper-deep Overburdened Layer of Yele Hydropower Station［J］.Hydro-Science and Engineering，2004，(1):18－23.(in Chinese))

［2］酈能惠，孫大偉，米占寬，等.覆蓋層上高面板壩連接板長度優(yōu)化分析［J］.水利水電技術，2005，36(7):81－85.(LI Neng-hui，SUN Da-wei，MI Zhan-kuan，etal.Optimization Analysis on Length of Connection Slab for High Concrete Faced Rockfill Dam on Deep Alluvium Deposit［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2005，36(7):81－85.(in Chinese))

［3］魏振榮.修建在深厚覆蓋層上的坎爾其瀝青混凝土心墻壩［G］∥土石壩建設中的問題與經驗.西安:陜西人民出版社，2002:315－318.(WEI Zhen-rong.Kan’erqi Bituminous Concrete Core Dam Built in Deep Overburden［G］∥Experiences and Problems in the Construction of Earth and Rock Dam.Xi’an:Shaanxi People’s Publishing House，2002:315－318.(in Chinese))

［4］潘家軍，汪明元，徐 晗.深厚覆蓋層上超高土質心墻堆石壩三維有限元分析［G］∥現(xiàn)代堆石壩技術進展.北京:中國水利水電出版社，2009.(PAN Jia-jun，WANG Ming-yuan，XU Han.Three-dimensional Finite Element Analysis of High Earth Core Rockfill Dam on Deep Overburden Layer［G］∥Modern Rockfill Dams.Beijing:China Water Power Press，2009.(in Chinese))

［5］王柏樂.中國當代土石壩工程［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.(WANGBai-le.Contemporary Earth and Rock Dam Projects in China［M］.Beijing:China Water Power Press，2004.(in Chinese))