陳 晶，華 中，王 鵬

(淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇 漣水 223400)

作為水利防洪堤壩中重要的組成部分，心墻壩穩(wěn)定性以及防滲性均較佳，對心墻壩體開展水利設計參數(shù)優(yōu)化可提升流域防洪性能，保障堤壩安全穩(wěn)定運營[1-3]。物理模型試驗作為一種在室內研究原尺寸水利工程的重要研究手段，施得兵等[4]、沈衛(wèi)[5]、陳斌等[6]基于此在室內建立大壩、溢洪道等水利設施的模型，通過開展模型試驗獲得相應的運營數(shù)據(jù)及失穩(wěn)破壞特征，為實際工程水利設計提供重要參考。在一些工程中通過分析心墻壩體材料力學特性，利用室內試驗力學手段建立壩體材料力學本構模型與分析力學演變特征規(guī)律，為水利材料在心墻壩體中應用設計提供指導[7-9]。崔宏偉、楊倩等、張放等[10-12]認為仿真模擬計算具有高效性，可快速獲得不同工況、不同設計方案下的水利工程變形場、滲流場及應力場特征，為評價設計方案最優(yōu)性提供計算依據(jù)。本文對淮安地區(qū)改建防洪心墻堤壩開展彎曲段長度參數(shù)優(yōu)化設計，基于變形與應力特征參數(shù)分析，進而確定心墻壩體最優(yōu)設計參數(shù)。

1 工程仿真分析

1.1 工程概況

為提升淮安市防洪能力，工程設計部門考慮對流域內兩岸修繕防洪大壩，降低雨季洪水威脅，提升城市排澇、防洪等能力，設計有南、北兩側干堤，其中南側堤壩全長36km，北側堤壩全長45.5km，堤頂設計最大高程為12.5m，迎水側堤壩坡度為1/3，背水一側坡度為1/4，堤頂目前已整修出寬度為7m的硬化道路。南、北兩側干堤均按照50a一遇洪水位設計，目前考慮對堤頂進行二次加高，提升防洪水位2～5m。該堤壩總共有7座水閘，其中大型水閘共有3座，水閘最寬處為15m，設置有攔污柵，降低泥沙淤積影響，在后期水利排險中對水閘進行了二次加固，設置有橫、縱連系梁加固結構，其中橫梁采用預應力錨索結構，張拉噸位3500kN，該水閘乃是防洪堤壩中重要迎、背水側聯(lián)通設施，其與下游引水泵站等組成水利中轉樞紐工程，堤頂設置防浪墻，降低堤頂被水力沖刷影響?；窗菜l設計為多孔式結構，每孔寬度超過3m，可滿足水閘流量560m3/s，承擔著堤壩內、外水資源調度及城區(qū)內排澇的任務。本次防洪堤壩工程加固段長度約為4.5m，河面寬度為35.8m，過水斷面積為1520～1800m2，水文監(jiān)測表明河道內20a一遇洪水最大流量可為2530m3/s。堤腳已鋪設混凝土排水溝與砌石擋土墻，其中溝寬為0.8m，迎水一側設置砌石與格賓石籠，作為堤腳防沖刷保護設施，石籠坡度為1/2，寬度為1.5m，目前，堤防大壩堤頂高程為11.2m，寬度為6m，堤坡為植被護坡，水土流失較嚴重，岸坡內滲透坡降監(jiān)測值分布在0.4～0.65，極大威脅著堤壩整體防洪安全性。

鑒于防洪大堤在區(qū)域內防洪安全的重要性，考慮對該堤壩進行重建設計，擬采用混凝土心墻堆壩作為加固設計方案，研究堤段內壩體沿軸線長度為60m，設計心墻頂、底厚度分別為0.58、1.18m，壩體堆土料采用卵石砌筑與混凝土澆筑為實體。壩體所在區(qū)段內基巖為灰?guī)r，承載力較大，室內測試單軸抗壓強度超過50MPa，上覆土層為砂土、黏土及粉土，其中心墻底部接觸面為黏土質，含水量較大，對壩體心墻彎曲段邊緣區(qū)域具有消蝕影響，削弱壩體防滲性，模擬計算表明心墻彎曲段在運營5a間受沖蝕后，滲透坡降可增大20%。為解決心墻壩體彎曲段沖蝕影響，對心墻彎曲段設計參數(shù)進行優(yōu)化，以滿足防洪堤壩整體防滲要求。

1.2 工程建模

根據(jù)工程設計部門設計方案，利用三維建模軟件構建水利仿真模型，該模型包括防浪墻、心墻壩以及上下游坡面，如圖1所示。

圖1 堤壩水利模型

采用ABAQUS計算平臺劃分堤壩模型單元網(wǎng)格，在心墻等重點區(qū)域加密劃分，提升心墻壩體研究區(qū)域的計算精度，共獲得單元網(wǎng)格105682個，節(jié)點685628個，如圖2所示。本文計算模型以壩體中軸線剖面中心為原點，壩體軸線右岸向為X正向，下游水流方向為Y正向，壩體高程向上方向為Z正向。根據(jù)河道內水位狀態(tài)施加邊界荷載，其中枯水期為A工況，正常期為B工況，豐水期為C工況，所加荷載具有法向約束性；其他堆料及混凝土等巖土參數(shù)均按照室內土工試驗測定取值，確保計算結果與實際工況相匹配[13-14]。

圖2 堤壩仿真計算模型

本文根據(jù)心墻彎曲段設計參數(shù)考慮對其彎曲段長度開展對比分析，設計5種不同設計方案，各方案中心墻彎曲段長度分別為壩體軸線長度的10%、15%、20%、25%、30%，即彎曲段長度分別為6m(1#方案)、9m(2#方案)、12m(3#方案)、15m(4#方案)、18m(5#方案)，典型設計方案如圖3所示。

圖3 心墻彎曲段典型設計方案

2 心墻彎曲段參數(shù)對壩體應力影響

2.1 各向最大位移

經(jīng)對各彎曲長度參數(shù)設計方案進行仿真計算，獲得各方案下心墻壩體各向最大位移變化特征，如圖4所示。

圖4 各方案下心墻壩體各向最大位移變化特征

從圖4可看出，3個方向位移值以Z向最大，在1#方案彎曲段長度6m時Z向位移值為2.527m，而相同設計方案中X、Y向位移相比前者分別降低了80.6%、74.9%，表明心墻壩體設計中應重點考慮堆石壩的沉降問題。

對比彎曲長度參數(shù)對心墻各向變形影響可知，X向位移為先增后減變化，其中位移最大值乃是2#方案，達0.505m，在2#～5#方案中，最大位移逐步降低，彎曲段長度15、18m時最大位移相比2#方案下分別降低了6.3%、11.7%，表明彎曲長度對心墻X向變形具有階段性，當長度參數(shù)未超過一定節(jié)點時，其X向位移處于遞增狀態(tài)，而在該節(jié)點后，位移值逐步遞減，彎曲段長度每增大3m，心墻變形平均可降低4%。與之相對比，Y向位移在彎曲段長度參數(shù)為6～9m時有所降低，減少幅度約為11.1%，而在彎曲段長度9m后，Y向位移呈線性遞增，其中彎曲段長度12、18m設計方案Y向最大位移相比長度9m下分別增長了10.1%、16.4%，該階段中Y向位移具有較快的漲幅，彎曲段長度增大3m，可促使Y向最大位移提高8.6%。分析表明X、Y向位移在彎曲段長度參數(shù)為9m前后區(qū)間內具有顯著逆轉變化，長度超過9m后，心墻X向最大位移為遞減，但Y向最大位移為遞增，在長度9m以下時，態(tài)勢為相反。筆者認為，對心墻來說，順河道水流方向(Y向)不應過大，避免造成心墻壩體發(fā)生順河向滑移，而壩體橫向方向可保持在較合適的變形區(qū)間，降低水流對壩體的沖擊動力特性影響。

從Z向位移受彎曲段長度參數(shù)影響關系可知，在彎曲段長度參數(shù)9m后，具有較大沉降變形，5個設計方案中以彎曲段長度9m下為最低，達2.336m；表明心墻彎曲段愈長，可提高心墻壩體向下沉降變形。綜合分析心墻各向最大位移認為，心墻壩體彎曲段長度9m時更有利于壩體安全穩(wěn)定。

2.2 位移分布特征

為分析心墻壩體位移分布特征，各設計方案中壩體位移分布特征基本相近，僅量值上有所差異，因而本文以彎曲段長度9m時開展分析，如圖5所示。

從圖5中可看出，X向位移呈壩體中部向左、右壩肩擴散，筆者認為X向位移的擴散性變化與心墻在橫河向上的移動有關，由于心墻體自身重力影響，導致兩側位移與中部區(qū)域具有顯著差異，最大位移出現(xiàn)在心墻壩體左側處，達0.505m。Y向位移自壩底至壩頂，呈先增后減變化，在壩體中部具有最大位移，為0.564m，壩體Y向位移變化與剛體材料在彎曲荷載作用下產(chǎn)生截面“下拉上壓“的特征，因而位移在剖面上具有階段性。Z向沉降以壩體中部為最大，為2.336m，而在壩基處具有向上的變形，此與堆石體在水上揚壓力影響，呈現(xiàn)上浮變形的特征，另在迎水側與背水側中，受上浮力影響心墻沉降，造成壩體兩側呈現(xiàn)差異性沉降，而以背水側沉降值更大[15-16]。

圖5 壩體位移分布特征(彎曲段長度9m)

3 心墻彎曲段參數(shù)對壩體變形影響

3.1 各向最大應力

對不同彎曲段長度設計方案進行計算，可獲得彎曲段長度參數(shù)影響下拉、壓應力特征，如圖6所示。

圖6 彎曲段長度參數(shù)影響下拉、壓應力特征

從圖6中可看出，3個方向中僅有X、Y向存在受拉，Z向上心墻壩體均為受壓狀態(tài)，且X、Y兩方向上拉應力在各設計方案中均保持一致，其均隨彎曲段長度為遞減變化，在彎曲段長度6m時，X向最大拉應力為0.4MPa，而在長度9、15、18m時，最大拉應力相比前者分別降低了25%、57.5%、57.5%，拉應力在彎曲段長度15m后基本保持穩(wěn)定，不發(fā)生較大波動，在彎曲段長度15m前，長度增長3m，平均可導致心墻拉應力損失24.4%，分析表明彎曲長度參數(shù)在心墻壩體X、Y向拉應力中無差異性影響，均保持對心墻拉應力的抑制效應。

從圖6(b)可知，3個方向中壓應力以Z向上為最大，在相同彎曲段長度12m設計方案中，Z向最大壓應力為16.9MPa，而與之同時X、Y向最大壓應力相比前者分別降低了14.6%、19.2%，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象與心墻壩體自重應力分布有關，在Z向上具有較廣泛的自重應力分布，最大壓應力受堆石料及混凝土心墻壩體自重影響，因而壓應力相比其他兩方向上的較高。從3個方向上最大壓應力與彎曲段長度參數(shù)變化關系可知，3個方向最大壓應力均呈一致性變化，即先增后減兩階段特征，以心墻彎曲段長度9m為節(jié)點，在該節(jié)點左區(qū)間內，3個方向上最大壓應力均保持遞增態(tài)勢，在Z向彎曲段長度6m時最大壓應力為15.8MPa，而Z向上長度9m最大壓應力相比長度6m時要提高了31.7%，而在X、Y向中2個設計方案的最大壓應力漲幅分別為23.2%、15.6%，即彎曲段長度參數(shù)促進壓應力增長階段以Z向最為顯著。在彎曲段長度9m后，3個方向的壓應力均呈下降態(tài)勢，其中X向彎曲段長度12、18m最大壓應力相比長度9m時減少了19.3%、30.6%，在該階段中隨彎曲段長度增長3m，X、Y、Z向最大壓應力分別降低了11.3%、10.8%、11.2%。綜合拉、壓應力受彎曲段長度參數(shù)影響，分析認為以彎曲段長度9m時更有利于心墻壩體結構安全穩(wěn)定，預壓效果顯著。

3.2 應力分布特征

根據(jù)各設計方案中典型應力分布特征，給出彎曲段長度9m時心墻壩體應力分布特征，如圖7所示。

圖7 心墻壩體應力分布特征(彎曲段長度9m)

從圖7可知，X向中僅在兩側壩肩存在有拉應力，而壩體大部分區(qū)域均為壓應力分布，且從壩頂至壩基壓應力遞增，最大壓應力達17.9MPa。同樣在Y向應力分布圖中，自壩頂至壩基為遞增，且各區(qū)間應力為分層分布，筆者認為此與迎水側水壓力作用在壩體上，進而引起不同高程處壓應力分布差異，最大壓應力仍位于心墻底部，為16.79MPa，而最大拉應力位于背水側，受迎水側水壓力及堆石料土壓力彎曲影響，在壩體兩側壩肩存在有拉應力分布，最大拉應力為0.3MPa。Z向中無張拉應力分布，壩體上均為受壓，在壩體及混凝土心墻自重應力影響下，從壩頂至壩基，壓應力遞增，最大壓應力為20.81MPa；而在迎水側受上浮水壓力對自重應力的平衡影響，其壓應力分布低于背水側。

4 結論

(1)心墻Z向位移值最大；X、Y向位移在彎曲段長度參數(shù)為9m前后分別為遞減、遞增，而在9m以下時態(tài)勢相反。

(2)X、Y、Z向位移自壩底至壩頂，呈先增后減變化，受上浮水壓力影響，壩體迎水側Z向沉降低于背水側；從壩頂至壩基X、Y向壓應力遞增，且Z向均為受壓。

(3)X、Y兩向上拉應力相等，長度增長3m，最大拉應力損失24.4%；壓應力以Z向最大；最大壓應力以彎曲段長度9m為節(jié)點，超過該節(jié)點后，長度增長3m，X、Y、Z向最大壓應力分別降低了11.3%、10.8%、11.2%。

(4)認為彎曲段長度9m時更有利于壩體安全穩(wěn)定。