劉怒濤

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 832000）

土石壩內泄水涵洞在發(fā)電、灌溉以及供水等方面扮演重要角色，是水利工程中的重要輸水建筑物。壩內泄水涵洞墻體結構一般采用混凝土材料澆筑，其具有施工便利、造價低廉、耐久性較好等特征，是工程建設的首選材料。然而，混凝土結構易產生裂縫，尤其是在土石壩中，涵洞作為壩內輸水建筑物，其裂縫滲水關乎到大壩的整體穩(wěn)定[1-3]。因此，壩內泄水涵洞在滲流-應力耦合作用下的受力分析顯得尤為重要。

很多學者對壩內泄水涵洞、滲流-應力耦合等方面進行了研究：葛躍平[1]闡述了金華市小型水庫壩內泄水涵洞工程，壩內泄水涵洞的病害成因，提出了處理技術及方案。呂從聰[2]采用ABAQUS 有限元數值計算軟件，對滲流-應力耦合分析中滲流壓力施加問題進行了探討，為相關滲流-應力耦合計算提供了參考。羅景嶄[3]運用ABAQUS 有限元軟件，計算分析了在滲流-應力耦合作用下，降水條件對基坑沉降及安全穩(wěn)定的影響。王克忠[4]利用MIDIAS-GTS 有限元分析程序，對有無滲流作用下隧洞的開挖過程進行了數值計算，得出了隧洞開挖過程中圍巖孔隙水壓力分布及圍巖變形規(guī)律。張志[5]基于滲流-應力耦合原理，采用ABAQUS軟件，分析了不同工況下單層、雙層襯砌的承載特性。

前人的研究成果在推進滲流-應力耦合計算以及保障隧洞、壩內泄水涵洞安全穩(wěn)定等方面做出了卓有成效的貢獻。然而，現有研究大多是對工程前期設計方案做論證。本文以某粘土心墻壩內泄水涵洞工程為例，通過壩體變形參數反演、滲流-應力耦合數值模擬的方法分析壩內泄水涵洞混凝土結構的應力應變特性，以期為相似工程提供參考。

1 壩內泄水涵洞及裂縫概況

壩址區(qū)河谷成“U”型，河道以側向侵蝕為主。壩頂寬約7.0 m，壩頂高程1 193～1 194 m。左右岸為山體，巖性為礫巖。主要出露的地層有第四系全新統（Q4ml）人工填土，第四系全新統沖洪積（Q4apl）細砂、壤土和圓礫，白堊系下統宜君組（K1y）礫巖等地層。泄水涵洞前段位于庫區(qū)中，后端位于壩體中。

泄水涵洞斷面為2 孔現澆鋼筋混凝土箱涵結構，每孔尺寸2 800 mm×3 000 mm（寬×高），共分14 個結構段，長12 m。2—7 節(jié)箱涵壁厚為800 mm，4 角倒角尺寸為500 mm×500 mm；9—14 節(jié)箱涵壁厚為600 mm，4角倒角尺寸為300 mm×300 mm；1 節(jié)、8 節(jié)為漸變段。

泄水涵洞墻體混凝土結構共有167 條裂縫，裂縫總長390 m。墻體裂縫寬度在0.05～0.45 mm 之間，平均裂縫寬度為0.16 mm，底板平均裂縫寬度為0.07 mm，頂板裂縫寬度大多為0.05mm，平均裂縫寬度為0.08mm。

2 數值計算

采用某大型通用非線性有限元數值計算軟件，對該粘土心墻壩及壩內泄水涵洞進行滲流-應力耦合計算。

2.1 計算本構模型

壩體填筑體采用鄧肯（Ducan）E-B 非線性模型模擬；由于混凝土面板與墊層料的剛度差異較大，兩者接觸面在荷載作用下因變形不協調會發(fā)生相對位移，為了反映兩者之間的相互作用，進行有限元分析時，必須考慮界面接觸特性?；炷帘砻媲邢蜃饔迷O置為罰函數，與壩殼料之間的摩擦系數為0.3，法向作用設置為硬接觸。滲流-應力耦合分析時，無需進行滲流場與應力場的反復迭代，只要按時間過程連續(xù)求解即可得出滲流-應力耦合條件下的計算結果[2]。

2.2 幾何模型及網格劃分

根據現場各建筑物尺寸，建立三維實體模型及網格模型（見圖1），其中泄水涵洞分為四種結構形式，即1 號漸變段、A 型、2 號漸變段、B 型。計算模型共計149 574 個單元，162 199 個節(jié)點，其中泄水涵洞模型共計30 968 個單元，44 820 個節(jié)點，單元類型為C3D8P六面體八節(jié)點滲流應力耦合單元。

圖1 壩體及泄水涵洞段模型及網格劃分

2.3 計算參數及邊界條件

計算中涉及的混凝土構件，采用線彈性模型。壩體混凝土面板與趾板C40 混凝土彈性模量取32.5 GPa，泊松比取0.167?；靥頒20 混凝土彈性模量取25.5 GPa，泊松比取0.167。壩底礫巖彈性模量取6.5 GPa，泊松比取0.187。涵洞間柔性填縫材料彈性模量取100 MPa，泊松比取0.4。

已建大壩的各項參數選取對計算結果影響較為明顯。因此，根據該粘土心墻壩內泄水涵洞的沉降監(jiān)測資料，本文采用參數反演的方法對擬定參數進行修正，進而提高計算結果的準確性。反演計算初選參數在同類工程中根據本次所選材料的各料顆粒級配特征參數、填筑標準等相應指標進行類比之后，經過整理得出面板堆石壩填筑料鄧肯-張E-B 模型參數，填筑料靜力計算參數詳見表1，表中ρ 為填筑料密度，φ0內摩擦角，Δφ 摩擦角增量，Rf為破壞比，K 為初始模量，n 為反映變形模量與圍壓的關系，Kur為回彈模量，Kb為初始模量基數，m 為反映初始模量隨圍壓變化的速率；壩體滲透系數Ks1取3.77×10-4cm/s；混凝土心墻滲透系數Ks2取2.0×10-7cm/s。

表1 初選壩體變形靜力計算參數

邊界條件方面，靜力邊界采用模型地基兩側施加水平位移約束，底部邊界位移全約束；滲流邊界：進水邊界為第一類邊界，即上游壩坡與水交接面，出水邊界為第二類邊界即下游壩坡、填土及第14 節(jié)涵洞直立面。

3 有限元計算及分析

3.1 反演計算及參數修正

根據泄水涵洞底部變形及壩體變形與監(jiān)測資料對比，確定后續(xù)計算參數。計算參數見表2，巖彈性模量取7.3 GPa，泊松比取0.176。

表2 反演后壩體變形靜力計算參數

3.2 不同工況下粘土心墻壩內泄水涵洞位移及應力特性

根據上述反演參數，計算了滲流-應力耦合作用下正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位工況時粘土心墻壩內泄水涵洞的應力場及位移場。圖2 為正常蓄水位（1 186.30 m）、設計洪水位（1 189.63 m）、校核洪水位（1 191.76 m）泄水涵洞豎向變形計算結果。由計算結果值可知，泄水涵洞各個管節(jié)整體變形趨勢為豎向向下，受上部土體厚度影響，壩軸線部分涵洞變形略大。然而，泄水涵洞底部為礫巖承載力較高，涵洞整體變形都不大：正常蓄水位涵洞豎向變形最大值為-8.972mm、設計洪水位豎向變形最大值為-9.352 mm、校核洪水位豎向變形最大值為-9.864 mm。

圖2 不同水位泄水涵洞豎向變形放大對比圖

考慮到混凝土的抗拉強度較弱，泄水涵洞混凝土結構拉應力為分析時的著重點。圖3 為校核洪水位（最不利工況）泄水涵洞各段拉應力云圖。由計算結果可知，在校核洪水位工況下，泄水涵洞頂板部位幾乎全部處于拉應力狀態(tài)，其中，涵洞頂板內側以及中隔墻頂端外側屬于拉應力集中區(qū)，且拉應力值相近。涵洞底板內側拉應力值較小，側墻僅在與上下頂板連接部位存在拉應力。在整個泄水涵洞中，A 型第4 段的拉應力值在各節(jié)涵洞中最大，最大值出現在該段頂板內側為1.131 MPa（見圖3）。

圖3 校核洪水位泄水涵洞典型段拉應力云圖

4 結論

通過現場監(jiān)測數據，建立大壩段、14 段泄水涵洞結構和細部件、回填混凝土的三維實體模型及網格模型，采用Duncan E-B 模型同時考慮水壓力作用、結構外側接觸作用進行三維有限元應力應變分析，得到以下結論：

（1）泄水涵洞整體變形隨著土體埋深越大變形越大。因泄水涵洞底部為礫巖承載力較高，涵洞整體變形都不大，校核洪水位涵洞沉降量最大值為-9.864 mm。

（2）考慮結構、水壓力與壩體共同受力時涵洞混凝土結構整體沉降變形較小，各個泄水涵洞受力均不大，校核工況時結構受力最大，最大拉應力為1.131MPa。

（3）泄水涵洞裂縫影響混凝土結構的抗?jié)B性、鋼筋銹蝕等耐久性能，建議仍在滲水的裂縫采用壓漿封閉處理，其它裂縫進行表面封閉。