深厚覆土条件下闸坝—土石坝体系变形特征研究

为什么大坝的形状很重要

随着各国加大水电开发，工程师们不得不在地质条件复杂的地方修建大坝。例如在中国西部，河流常常在达到基岩之前，流经非常厚的松散土和岩层。在这些环境中，现代工程把刚性的混凝土闸坝与更为柔性的土石坝堆体结合成复合坝体系。本研究提出了一个看似简单但具有重要安全意义的问题：这种混合坝在施工并蓄水过程中，三维上究竟如何变形，潜在的薄弱环节在哪里？

为复杂大坝构建数字孪生

研究者首先建立了一个与真实水电工程相符的详尽三维计算模型，该工程将混凝土闸坝与混凝土面板土石坝相连接。模型忠实地包含了闸墩与闸室、土石坝体、地下截水墙和连续墙、重力挡土墙，以及位于基岩上的厚而不均的土岩覆盖层（即深厚覆土）。他们没有采用统一粗糙的数值网格，而是采用了“八叉树”（octree）网格，在几何复杂或应力可能集中的区域自动加密网格。常规单元使用经典有限元方法处理，而在几何过渡处出现的奇形单元则用一种互补技术——缩放边界有限元方法求解。这种耦合方法使他们能够在不耗尽计算资源的情况下捕捉到精细的结构细节。

从施工到满库的全过程追踪

为了贴近真实情况，团队没有简单地对一个完工的坝体施加水压，而是模拟了32个独立阶段：地初应力、分阶段施作重力挡墙、截水墙、闸坝和土石坝堆体，随后铺设面板等构件，最后模拟水库从河床到正常蓄水位的逐步上升。每一步都允许地基和结构在自重作用下沉降并达到新的平衡，然后再施加下一步荷载。混凝土构件按弹性体处理，而土体和石料采用经室内试验标定的先进塑性本构模型。该设定不仅使模型再现大坝的沉降量，还能反映随着荷载演化周边地层如何屈服并重新分配应力。

大坝哪里下沉，哪里被拉伸

模拟结果表明，坝体系并非作为一个整体刚性块体移动。更为柔性的土石坝部分沉降量约比更刚性的混凝土闸坝段大28%。这种差异由土石料体积更大、刚度更低以及其下方覆土更厚更易压缩所驱动。因此，靠近两岸的闸室接缝比中央区域承受更大的剪切和张开位移，尽管预测位移仍在现行设计限值内。另一个重要发现涉及垂直截水墙：该墙悬置于覆土中而未锚入基岩。河中部较大的不均匀沉降使截水墙发生弯曲，在右岸段顶部形成显著的拉应力区。类似地，位于重力挡土结构下的地下连续墙也表现出不均匀沉降和旋转，在其底部（垂直变形最大处）和靠近顶部与上覆混凝土锁结处均出现拉应力积聚。

把计算结果用于更安全的设计

除了描绘该具体坝体如何变形外，这项工作还指出了在设计和施工中需要额外关注的具体部位，包括闸室间的接缝、因弯曲可能开裂的截水墙顶部、以及地下连续墙的底部和顶部等拉应力易集中的区域。由于预测的沉降小于某些可比工程中观测到的值，本研究也有助于把该工程的表现置于更广泛的背景中进行评估。更广泛地说，研究者展示了基于八叉树的耦合数值方法能够处理具有强非线性土体行为的大型不规则坝基体系。他们认为，该框架可用于优化加固区和施工方案，并可扩展用于模拟地震、薄弱层液化以及长期混凝土损伤等情形的响应——最终有助于在复杂地基上实现更安全的水电开发。

这对未来大坝意味着什么

对非专业读者来说，主要信息是：现代大坝的安全性不仅取决于可见的混凝土坝顶，还同样依赖于水线下隐蔽的地基和埋置墙体。通过细致建模混合混凝土与土石坝各部分的联合作用，本研究明确指出了最可能发生裂缝或过度位移的起始位置。这一方法为工程师提供了对建在深厚软弱地基上的复杂坝体系的“透视”，帮助他们在问题出现前加固薄弱区，支持在艰难地形中更可靠、低影响的水电开发。

引用: Liu, B., Wang, F., Zou, D. et al. Investigation of deformation characteristics of gate and earth–rock dam systems under deep overburden conditions. Sci Rep 16, 13464 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44128-w

关键词: 土石坝, 深厚覆土, 有限元建模, 防渗墙变形, 水电安全