Page 45 - 水利学报2021年第52卷第6期

水 利 学 报

2021 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 6 期

文章编号：0559-9350（2021）06-0673-16

混凝土面板堆石坝地基防渗墙塑性损伤数值分析

温立峰，李炎隆，柴军瑞
（西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048）

摘要：在坝体填筑和水库蓄水作用下，防渗墙工作和受力条件复杂，可能产生塑性应变和墙体开裂。本文结合实
测资料和数值分析，研究面板堆石坝深覆盖层地基防渗墙的应力变形和损伤特性。在基于实测资料分析防渗墙应
力变形特性的基础上，采用混凝土塑性损伤模型，建立防渗墙应力变形及损伤特性的三维数值计算模型。数值模
型考虑坝体和地基渗流-应力耦合效应及墙体与覆盖层的接触效应，真实模拟坝体填筑和水库蓄水过程。在采用
实测资料验证数值计算结果的基础上，结合实测和数值结果深入分析了面板堆石坝防渗墙的受力机制及其应力变
形和损伤开裂特性，讨论了防渗墙位置、材料、坝体和地基渗流-应力耦合作用对墙体力学特性的影响。研究结
果对面板堆石坝防渗墙建设和结构安全控制具有一定的指导意义。
关键词：混凝土防渗墙；应力变形；损伤特性；数值分析；影响因素
中图分类号：TV331 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200721

1 研究背景

随着能源需求的攀升和筑坝技术的进步，大量的土石坝已经、正在或计划修建在具有高压缩性
和强透水性的覆盖层地基上。防渗墙是覆盖层地基最有效的防渗措施之一，其可以有效截断地基渗
流通道，并具有良好的耐久性 ［1-3］ 。经过 50 余年的发展，我国在防渗墙的设计、施工及复杂地质条件
下的建设技术等方面均取得了长足的发展 ［3-5］ 。在坝体填筑和蓄水引起的不同外荷载作用下，防渗墙
结构通常呈现复杂的力学特性。外荷载可能引起墙体产生显著的塑性应变，进而导致墙体开裂。多
［6］
个长期运行的土石坝除险加固防渗墙已经观测到墙体的开裂或破坏现象 。Rice 等 ［7］ 发现，即使防渗
墙的裂缝开度小于 1 mm，墙体的有效渗透系数也可能增加几个数量级。研究防渗墙的应力变形和损
伤开裂特性对墙体的设计优化和安全评价至关重要。
防渗墙工程具有隐蔽性，受力条件及应力变形特性复杂。墙体不仅承受坝体重力及蓄水引起的
［8］
水压力，同时与相邻土体存在高度非线性的相互作用。Dascal 基于实测资料分析了 Manic-3 防渗墙
变形和应力分布规律，并讨论了防渗墙的受力特点。Brown 等 ［9］ 介绍了 Arminou 心墙坝塑性混凝土防
渗墙的建设信息，分析了影响墙体力学特性及其失效的可能原因。Song 等 ［10］ 基于防渗墙力学特性的
现场观察资料，对施工过程中接头管的拔管时间和拔管力进行了研究。Rice 等 ［6］ 对除险加固防渗墙
的力学性状进行统计分析，讨论了防渗墙的失效现象和机制。温立峰等 ［11］ 对新建坝基防渗墙的力学
性状开展统计分析，总结了防渗墙应力变形规律及其影响因素。此外，相关学者对防渗墙开展了离
心模型或振动台试验研究 ［12-14］ 。上述实测、统计及试验结果为揭示防渗墙应力变形规律提供了有益认

收稿日期：2020-09-14；网络首发时间：2021-02-10
/
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210210.1005.001.html
基金项目：国家自然科学基金项目（51909215，52039008，51979224）；中国博士后科学基金（2020M683527）；陕西省自然科学
基础研究计划项目（2020JQ-641）；陕西省教育厅科学研究计划项目（19JS047）；陕西省高校科协青年人才托举计划
项目（20200417）
作者简介：温立峰（1989-），副教授，主要从事高堆石坝变形控制与安全评价研究。E-mail：wenlifeng@xaut.edu.cn
通讯作者：李炎隆（1980-），教授，主要从事水利工程安全评价与风险预警研究。E-mail：liyanlong@xaut.edu.cn
— 673 —