Page 53 - 水利学报2021年第52卷第6期

主堆石
下游堆石 过渡层 垫层
面板
上层覆盖层 连接板 面板
中层覆盖层
下层覆盖层 趾板
下游 1.2m 主堆石
防渗墙
防渗墙 2.0m 6.0m
上游 防渗结构与坝体或覆盖层地基
覆盖层地基
之间接触面 覆盖层地基
详细视图 详细视图
（a） 整体 （b） 细部

图 8 三维有限元网格
用的防渗墙塑性损伤分析。
4.5 有限元模型 数值计算三维有限元网格如图 8 所示。采用空间八节点等参单元模拟材料的力学
特性，模型包含 44 870 个单元和 49 936 个节点，其中 6425 个防渗墙单元和 6857 个防渗墙节点。为了
更加准确描述防渗墙的力学特性，沿防渗墙厚度方向划分 5 排单元。模型真实考虑坝体不同分区和覆
盖层地基地质条件。
模型模拟坝体的实际填筑过程和相应的蓄水过程，如图 1（a）所示。根据施工过程设置坝体填筑
的时间步长。采用 26 个时间步模拟坝体的填筑过程，3 个时间步模拟面板施工过程，坝体填筑过程
模拟厚度小于 5 m。之后，根据水库水位的上升速度，模拟的时间步长设置为 10 d。模型的底部和两

侧设置为法向约束并且为不透水边界。模型上下游侧设置为不透水边界，大坝上下游水位分别为 800
和 710 m，淹没在水位以下的上下游河谷及坝面设置为总水头边界，其他边界设置为潜在出渗边界。

5 结果分析

5.1 防渗墙受力分析 图 9 为防渗墙最深断面墙体和相邻土体沉降、防渗墙承受的侧土压力和摩阻
力沿墙体深度分布规律。施工期，防渗墙下游侧产生压缩变形而上游侧产生向上的隆起变形，计算
的顶部最大向上变形为 5.0 cm。向上隆起变形是由顶部无约束覆盖层受到向上推力引起。竣工期防渗
墙下游侧土体顶部最大计算沉降为 6.0 cm，明显大于墙体顶部 1.5 cm 的沉降变形。蓄水阶段，在水压
力作用下防渗墙上下游侧土体均产生向下的压缩变形。上下游侧覆盖层与防渗墙顶部最大沉降的比
值（相对沉降）分别为 3.7 和 2.4。计算的防渗墙顶部沉降和相对沉降与实测结果 2.0 cm 和 4.1 基本一
致。统计结果表明，上游防渗墙顶部沉降和相对沉降的统计范围分别为 0.02%H ~ 0.05%H（H 为防渗
［11］
墙深度）和 3 ~ 6 ，本文结果在上述范围之内。与上游防渗墙不同，中部防渗墙上下游侧土体竣工期
和蓄水期均产生压缩变形，而且压缩变形整体较大 ［11］ 。
防渗墙的力学行为主要取决于其所承受的水平向和垂直向荷载。水压力和侧土压力是墙体承受
的主要水平荷载。水压力主要出现在蓄水以后，一般呈线性分布，与浸润线位置直接相关。坝体的
摊铺和碾压改变土体应力，进而引起覆盖层地基的水平位移。覆盖层较大的水平位移使防渗墙上下
游面承受较大的侧土压力差。如图 9 所示，防渗墙侧土压力随深度方向呈非线性分布。由于相邻土体
较大的水平位移，防渗墙中部承受的侧土压力较大。竣工期计算所得上游面和下游面的最大侧土压
力分别为 0.73 和 0.98 MPa。蓄水期在水压力综合作用下，防渗墙上下游面的侧土压力均相对减小。
竣工期和蓄水期防渗墙的侧土压力与实测结果均较为接近，说明本文采用的接触摩擦方法较为合理
地描述了土体和结构接触面的力学特性。由于覆盖层水平位移的特点，中部防渗墙的竣工期上下游
［2］
侧土压力较小且基本对称，然而蓄水期下游面相对于上游面承受较大侧土压力 。两种位置防渗墙侧
土压力差异是引起不同水平位移分布规律的主要原因。
防渗墙承受 4 类垂直荷载，包括垂直土压力、垂直水压力、墙体自重和摩阻力。由于防渗墙压缩
性显著低于相邻土体，在顶部土压力和水压力作用下，覆盖层和防渗墙之间产生较大的沉降差，在
［8］
墙体两侧引起较大的摩阻力。在摩阻力作用下，墙体中部的垂直应力大于顶部应力 。此外，防渗墙
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