摘要：

為保證丹江口水利樞紐左岸加高土石壩的正常運行，根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，對土石壩工作安全性態(tài)和抗震安全性進行復(fù)核。充分考慮了左岸加高土石壩結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合兩次170 m高水位運行監(jiān)測資料，對左岸土石壩在蓄水運行期變形和滲流變化規(guī)律進行分析；采用有限元方法，重點研究了左岸土石壩在遭遇設(shè)計地震動情況下的抗震安全性。結(jié)果表明：① 土石壩和混凝土壩結(jié)合部位置沉降變形（108.78 mm）最大，壩體沉降變形變化速率減緩，漸趨穩(wěn)定；② 心墻內(nèi)滲壓水位隨庫水位平穩(wěn)變化，整體滲流性態(tài)穩(wěn)定，左岸土石壩運行工作性態(tài)正常；③ 壩體地震動力響應(yīng)規(guī)律正常，抗震安全性能良好，滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。研究成果可為該工程安全運行評價提供技術(shù)支撐，并為其他類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：

丹江口水利樞紐； 加高土石壩； 安全性態(tài)； 抗震安全性

中圖法分類號：TV641

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.011

文章編號：1006-0081（2025）02-0061-07

0 引 言

丹江口水利樞紐是開發(fā)、治理、保護漢江的關(guān)鍵性控制工程，同時也是南水北調(diào)中線一期工程的水源地，工程任務(wù)為防洪、供水、發(fā)電、航運等。

丹江口水利樞紐分兩期開發(fā)。初期工程于1967年7月大壩開始攔洪，1973年底全部建成。丹江口水利樞紐左岸加高工程（二期）是在初期工程的基礎(chǔ)上，在原土石壩下游培厚加高而成，二期工程自2013年通過蓄水驗收以來，整體工作性態(tài)正常［1-3］。根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，為保障左岸土石壩抗震安全，需按最新地震動參數(shù)復(fù)核工程安全。左岸土石壩作為丹江口水利樞紐重要的組成部分，需對其運行安全和抗震安全進行復(fù)核。

關(guān)于加高土石壩工程，已有相關(guān)學(xué)者進行研究。吳建兵等［4］針對新老壩防滲體變形不協(xié)調(diào)影響防滲體防滲能力的問題，開展新老壩防滲連接結(jié)構(gòu)的作用研究，提出了樁承加筋土復(fù)合防滲連接結(jié)構(gòu)。劉艷［5］提出了一種適用于黃土高原地區(qū)泥沙淤積較為嚴重的病險水庫的土壩加高方式，運用有限元軟件模擬壩體加高施工過程，驗證了壩前淤泥面上貼坡加高土壩的可行性。許飛虎等［6］利用有限元軟件對下游面培厚加高土石壩應(yīng)力變形特性進行研究，結(jié)果表明蓄水對加高壩體應(yīng)力影響較小，未出現(xiàn)應(yīng)力集中情況。劉木靜等［7］通過對國內(nèi)外土石壩加高方式進行分類總結(jié)，指出了新舊壩體結(jié)合面的處理、新舊防滲體搭接等是土石壩加高的主要技術(shù)難題。相關(guān)學(xué)者的研究成果主要體現(xiàn)在對土石壩加高形式，防滲墻處理方案，土石壩應(yīng)力、變形和滲流結(jié)果分析評價等方面，較少針對加高土石壩抗震安全評估方面的研究。左岸土石壩采用下游面培厚加高方案進行加高，初期壩體采用斜心墻防滲，加高壩體防滲體采用黏土斜墻與初期工程心墻（聯(lián)接段）和斜墻連接（其他壩段），除了面臨壩體結(jié)合面的處理和新舊防滲體搭接等問題以外，還涉及新老壩體與混凝土壩結(jié)合的問題，相關(guān)研究成果較少。

本文充分考慮了左岸加高土石壩結(jié)構(gòu)特點，通過對比分析左岸土石壩兩次170 m蓄水過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，評估了左岸加高土石壩運行狀態(tài)。采用三維有限元方法，構(gòu)建了左聯(lián)混凝土壩和左岸土石壩三維有限元模型，模擬了左岸土石壩填筑過程，考慮了新老壩體土石壩接觸及其與混凝土壩復(fù)雜接觸，分析了左岸土石壩在遭遇地震情況下動力響應(yīng)，評估了其抗震安全性。研究成果可為該工程安全運行評價提供技術(shù)支撐，并為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

丹江口水利樞紐由河床、岸邊混凝土壩和左、右兩岸土石壩組成。大壩加高工程樞紐布置與初期工程布置相比，混凝土壩維持初期工程平面布置不變，右岸土石壩進行了改線重建，左岸土石壩在初期基礎(chǔ)上加高并向左延長200 m。

左岸土石壩壩頂高程由初期的162.0 m加高至176.6 m，最大壩高71.6 m（位于與混凝土壩結(jié)合部）。左岸土石壩上游坡比為1∶2.25～1∶2.75，下游坡比為1∶2.25～1∶2.50。除左端延長壩段為黏土心墻砂礫石壩外，其余壩段均為黏土斜墻砂礫石壩。左岸土石壩典型斷面見圖1。

左岸土石壩左壩頭與混凝土壩左聯(lián)壩段為側(cè)墻式連接，土石壩壩軸線與混凝土左聯(lián)壩段軸線正交，初期工程中設(shè)4道短齒墻。黏土防滲體與混凝土壩接觸處，為延長滲徑長度對局部進行擴大斷面處理，加高部分黏土防滲體與混凝土壩接觸滲徑長度不小于后期水頭的2倍，并在前期加固工程施工時已將高程150 m以上黏土防滲體漸變段下游加厚并補設(shè)反濾層（厚度2 m），以增強該部位的抗?jié)B和抗震能力。左岸土石壩與混凝土壩結(jié)合部平面布置見圖2。

2 計算條件

2.1 計算網(wǎng)格

在構(gòu)建土石壩有限元模型時，單元根據(jù)大壩填筑施工順序排序，實體單元采用8結(jié)點六面體等參實體單元，為適應(yīng)邊界條件以及壩料分區(qū)的變化，部分區(qū)域采用了三棱體和四面體退化單元。有限元模型中，左岸土石壩單元數(shù)約為11萬個，結(jié)點數(shù)約為11萬個，左岸土石壩三維有限元幾何模型見圖3。

2.2 施工過程模擬

鑒于左岸土石壩是在初期工程的基礎(chǔ)上在原壩下游培厚加高而成，且初期土石壩運行時間較長、已固結(jié)穩(wěn)定，所以將初期壩體作為基礎(chǔ)考慮，僅模擬其應(yīng)力場，初始變形為0，即該壩的施工順序自新壩加高時開始模擬，施工順序見表1。

2.3 土石壩計算模型

土石壩心墻黏土料和壩殼砂礫石料的本構(gòu)模型參數(shù)采用鄧肯-張E-B模型［8-9］，動力計算采用等價黏彈性模型［10］，相關(guān)靜力和動力計算模型參數(shù)分別見表2和表3［11］。

2.4 接觸單元模型

混凝土壩與左、右岸土石壩之間的接觸特性采用殷宗澤等［12］提出的薄層單元來模擬，采用剛塑性模型，該模型無需額外引入?yún)?shù)，能較真實地反映接觸面的變形特性。

2.5 地震動輸入?yún)?shù)

根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》和GB 51247-2018《水工建筑物抗震設(shè)計標準》，本次抗震復(fù)核分析設(shè)計地震取100 a內(nèi)超越概率2%地震動，相應(yīng)地震動參數(shù)見表4?？紤]到丹江口水利樞紐的重要性，計算地震動偏安全地采用三向地震動輸入，豎向地震動取水平向的2/3［13］。

3 大壩變形和滲流監(jiān)測成果分析

3.1 壩頂沉降變形

截至2023年12月20日，左岸土石壩沉降測點平面布置見圖4，壩頂沉降變形分布見圖5。從圖中可以看出左岸土石壩壩頂與混凝土壩連接壩段的垂直位移分布趨勢為：距離結(jié)合部（結(jié)合部樁號最大）越近，沉降量越大，向左岸逐漸減小，最大沉降為108.78 mm。由于加高土石壩填筑高程從結(jié)合部向左岸呈現(xiàn)降低的趨勢，壩頂沉降變化規(guī)律也是呈現(xiàn)類似的分布規(guī)律。

根據(jù)壩頂沉降變形分布結(jié)果，對比分析左岸土石壩與混凝土壩結(jié)合部布設(shè)的3個沉降點沉降過程線，3個沉降點的位置分別為樁號1+165、樁號1+135和樁號1+100，沉降過程線對比結(jié)果見圖6。結(jié)果表明：相對于測點樁號1+135和樁號1+100，測點樁號1+165從完工至今沉降變形變化最大，為111.30 mm；測點樁號1+135沉降速率為0.028 mm/d，樁號1+100為0.014 mm/d，樁號1+165為0.012 mm/d，變化速率由樁號1+165到樁號1+100呈增大的趨勢。

3.2 土石壩與混凝土壩結(jié)合面相對變形分析

土石壩與混凝土壩結(jié)合面（樁號：1+192.60）布設(shè)有3組（9支）三向測縫計，編號分別為ZA-1、ZA-2和ZA-3，儀器布置見圖7。

2023年170 m蓄水相對2021年左岸土石壩與混凝土壩結(jié)合面的變形結(jié)果見表5。截至2023年10月23日，三向測縫計測得的垂直及左右岸向最大變形均發(fā)生在174.0 m高程，垂直向位移最大為40.82 mm，左右岸向位移最大為27.13 mm（向左岸位移）。儀器ZA-2和ZA-3布置高程一樣，ZA-2位于老壩壩坡上，由于老壩變形基本上趨于穩(wěn)定，三向測縫計測得的數(shù)據(jù)無明顯變化；ZA-3位于新壩壩體內(nèi)，變化規(guī)律和ZA-1類似，垂直及左右岸向最大變形相對ZA-1要小，分別為22.62 mm和12.82 mm。

兩次（2021年，2023年）170 m正常蓄水過程中測縫計最大變形變化情況見表5，ZA-1垂直及左右岸向相對變形最大，分別為3.3 mm和7.02 mm。對比各個測點垂直向位移結(jié)果可以看出，老壩體變形趨于穩(wěn)定，整體變化速率減緩，漸趨穩(wěn)定，水位變幅對結(jié)合面相對變形影響較小。

3.3 壩體滲流

選取左岸土石壩在樁號0+720、1+140和1+160三個典型斷面，對心墻內(nèi)不同高程的測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析（表6）。兩次170 m蓄水過程中，滲壓水位隨庫水位平穩(wěn)變化，整體滲流性態(tài)穩(wěn)定，未現(xiàn)明顯異常。

4 地震工況動力響應(yīng)數(shù)值分析

4.1 加速度響應(yīng)分析結(jié)果

遭遇地震情況下左岸土石壩上下游向和垂直向動力反應(yīng)加速度放大倍數(shù)分布見圖8，壩頂上下游向和垂直向的最大加速度分別為3.71 m/s2和2.77 m/s2，最大加速度放大倍數(shù)分別為2.36和2.65。隨著高程的增加，大壩動力反應(yīng)也越大，壩頂部15 m范圍內(nèi)壩體的加速度放大系數(shù)增加迅速，地震“鞭梢”效應(yīng)明顯。

4.2 位移響應(yīng)分析結(jié)果

遭遇地震情況下左岸土石壩三維最大動位移分布見圖9，大壩動位移較大值主要集中在1+100～1+180壩頂?shù)木植繀^(qū)域（左岸土石壩和混凝土壩結(jié)合部）。壩上下游向、垂直向動位移的最大值分別為24.8，23.8 cm，符合土石壩動位移分布一般規(guī)律，動位移較大位置主要分布于壩體較高的區(qū)域。

4.3 地震永久變形分析結(jié)果

遭遇地震情況下左岸土石壩壩體上下游向、垂直向永久變形分布見圖10所示。計算結(jié)果表明，上游壩殼指向上游永久變形最大值為7.5 cm，下游壩殼指向下游永久變形最大值為11.5 cm，壩體震陷最大值為27.4 cm，最大地震永久變形主要發(fā)生在左岸土石壩和混凝土壩結(jié)合部位置，和動位移分布規(guī)律類似。

4.4 地震引起的接觸面變位分析

地震引起的左岸土石壩與混凝土壩接觸部位的相對位移矢量如圖11所示。地震引起的心墻相對混凝土壩的沉降為1.89 cm，發(fā)生在176.6 m高程、壩下0+2.8 m位置；順河向位移1.96 cm，發(fā)生在176.6 m高程、壩下0+2.8 m位置；左右岸向位移0.66 cm，發(fā)生在176.6 m高程、壩下0+2.8 m位置，張拉區(qū)最大深度為0.68 m。

地震引起的壩殼料相對混凝土壩的沉降為6.0 cm，發(fā)生在173.6 m高程、壩下0+20.4 m位置；順河向位移0.8 cm，發(fā)生在176.6 m高程、壩下0+13.6 m位置；左右岸向位移1.80 cm，發(fā)生在高程176.6 m、壩下0+14.2 m位置，張拉區(qū)最大深度為1.06 m。

由于土石壩和混凝土壩結(jié)合部存在柔性和剛性材料的相互作用，受地震永久變形的影響，混凝土壩與土石壩接頭部位的相對位移將進一步增大。由于老壩變形趨于穩(wěn)定，變形較大的區(qū)域局限于壩頂加高區(qū)域。由于接頭部位設(shè)置有混凝土齒墻，最大相對位移主要位于壩頂下游壩殼料。

5 結(jié) 語

（1） 根據(jù)左岸土石壩的變形和滲流監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合部位置的沉降變形（108.78 mm）最大。對比兩次170 m正常蓄水過程中，測縫計最大變形變化結(jié)果，壩體沉降變形變化速率減緩，漸趨穩(wěn)定，水位變幅對結(jié)合面相對變形影響較?。恍膲?nèi)滲壓水位隨庫水位平穩(wěn)變化，整體滲流性態(tài)穩(wěn)定，土石壩總體工作形態(tài)正常。

（2） 運行期遭遇設(shè)計地震情況下，左岸土石壩上下游向及垂直向最大反應(yīng)加速度放大倍數(shù)分別為2.15，2.6，壩體震陷最大值為27.4 cm，最大震陷量約為壩高（最大壩高71.6 m）的0.38%，壩體地震動力響應(yīng)規(guī)律正常，符合土石壩地震響應(yīng)的一般規(guī)律。

（3） 左岸土石壩初期壩體沉降已趨于穩(wěn)定，由于存在土石壩柔性材料與混凝土壩剛性材料接觸問題，在遭遇地震時，接觸面相對變位將進一步增加，且較大相對位移主要出現(xiàn)在壩殼料區(qū)域，接頭部位的工作性態(tài)總體安全。在工程運行過程中應(yīng)加強變形監(jiān)測，一

旦發(fā)生地震應(yīng)及時巡視檢查處理。

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（編輯：江 燾，舒忠磊）

Safety status review of elevated earth-rock dam on left bank of Danjiangkou Water Control Project

MEI Runyu1，2，ZHOU Rong3，WEI Kuangmin4

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430014，China；

2.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan 430014，China；

3.South to North Water Transfer Middle Route Water Source Co.，Ltd.，Danjiangkou 442700，China；

4.Geotechnical Engineering Research Institute，Nanjing Institute of Water Resources Science，Nanjing 210024，China）

Abstract： To ensure the normal operation of the left bank elevated earth-rock dam，the safety status and seismic safety of the earth-rock dam work were reviewed according to the GB 18306-2015 Seismic Parameter Zoning Map of China.The structural characteristics of the left bank elevated earth-rock dam were fully considered，and the deformation and seepage changes of the left bank earth-rock dam during the water storage operation period was analyzed based on two monitoring data of 170 m high water level operation.The finite element method was used to study the seismic safety of the left bank earth-rock dam under design seismic conditions.The research results indicated that：① The settlement deformation （108.78 mm） at the junction of the earth-rock dam and the concrete dam was the largest，and the settlement deformation rate of the dam body slowed down and gradually stabilized.② The seepage pressure water level in the core wall changed smoothly with the reservoir water level，and the overall seepage flow state was stable.The operating working condition of the left bank earth-rock dam was normal.③ The seismic dynamic response law of the dam body was normal.The seismic safety performance was good and met the requirements of relevant regulations and specifications.The research results can provide a technical support for the operation evaluation of the earth-rock dam of this project and provide a references for other similar projects.

Key words：

Danjiangkou Water Control Project； elevated earth-rock dam； safety state； seismic safety