深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻土石壩的應(yīng)力變形特征

丁樹云 ， 畢慶濤 ，2

（1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210029）

目前，對在深厚覆蓋層上修建大壩的研究，越來越受科研和工程界的重視。300 m級高土質(zhì)心墻壩的應(yīng)力變形分析，已經(jīng)取得了較多研究成果；對瀝青混凝土心墻高土石壩 （＞100 m）的應(yīng)力變形特征，研究成果較少[1，2]。為此，本文針對某瀝青混凝土心墻高壩進行有限元分析，研究建在深厚覆蓋層上的壩體的應(yīng)力變形特性，為其他類似工程提供參考。

1 有限元模型

某瀝青混凝土心墻土石壩最大壩高100 m，壩頂寬度10 m。心墻最大高度97 m，厚1.0 m。上、下游壩坡均為1∶2.0；下游壩基設(shè)置厚2.0 m的水平反濾層。壩址區(qū)河床覆蓋層鉆孔揭露厚度為55～120 m，地層結(jié)構(gòu)由下而上總體上為含漂礫卵石層、含砂卵礫石層、含漂礫卵石層和粉砂層4大層。壩基防滲采用混凝土防滲墻結(jié)合灌漿帷幕形式，防滲墻最大深度為100 m，厚1.0 m。壩體及壩基典型橫剖面見圖1，上游圍堰作為壩體的一部分。

圖1 瀝青混凝土心墻壩最大橫剖面

對壩體按結(jié)構(gòu)、材料進行單元劃分，以反映建筑物主要結(jié)構(gòu)。在研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對壩基進行概化處理，以反映主要的地質(zhì)構(gòu)造。單元網(wǎng)格大部分為四邊形，少數(shù)采用三角形單元過渡。在混凝土結(jié)構(gòu)周圍，設(shè)置了無厚度古德曼 （Goodman）接觸面單元。底部邊界按豎向固定約束，上、下游地基邊界按水平方向固定約束。共剖分1 647個結(jié)點，1 607個單元 （見圖2）。

圖2 瀝青混凝土心墻壩有限元網(wǎng)格

2 模型參數(shù)與計算過程

2.1 模型參數(shù)

表1 瀝青混凝土心墻土石壩的模型參數(shù)

瀝青混凝土心墻土石壩的有限元計算中，堆石料、瀝青混凝土心墻料的本構(gòu)關(guān)系采用鄧肯E-B模型，各分區(qū)材料的模型參數(shù)見表1。壩基防滲墻、底座混凝土、基巖按線彈性材料模擬，模型參數(shù)見表2。為防止混凝土與土石接觸處出現(xiàn)不連續(xù)變形，設(shè)置無厚度Goodman接觸面單元，其模型參數(shù)見表3。

表2 壩基混凝土及基巖參數(shù)

2.2 計算過程

有限元計算時，采用分級加荷對大壩施工及蓄水過程進行模擬。先填筑圍堰，然后填筑壩體。共分17級荷載計算，覆蓋層作第1級荷載，圍堰分2級荷載，壩體施工到壩頂分9級荷載，蓄水至正常水位分2級加載，降低水位至死水位1級荷載，然后再升降一個循環(huán)，即2級荷載。

3 應(yīng)力變形特征分析

土石壩有限元計算及成果整理時，按照土力學(xué)慣例，正應(yīng)力以壓為正，拉為負；應(yīng)變以壓縮為正，膨脹為負。坐標系取順河向指向下游為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向。

3.1 壩體應(yīng)力變形

在竣工期及蓄水期 （蓄水至正常蓄水位），壩體、地基覆蓋層、瀝青混凝土心墻的應(yīng)力變形的特征值見表4?？⒐て诩靶钏趬误w發(fā)生的累積沉降、水平位移、第一主應(yīng)力及應(yīng)力水平等值線分布分別見圖3、4。

表3 計算采用的Goodman接觸面模型參數(shù)

從圖3a和圖4a可以看出，竣工及蓄水期，土石壩沉降最大值均發(fā)生在距壩頂約2/3壩高處，竣工期的沉降最大值發(fā)生在心墻內(nèi)，蓄水期的沉降最大值稍微偏離心墻向上游。從表4可知，土石壩竣工期內(nèi)累積沉降最大值為95.79 cm，占壩高 （100 m）的0.96%；蓄水后，壩體的最大沉降稍有增加，為97.37 cm，占壩高的0.97%。

表4 瀝青混凝土心墻土石壩應(yīng)力變形的特征值

圖3 竣工期瀝青混凝土心墻土石壩應(yīng)力變形等值線

圖4 蓄水期瀝青混凝土心墻土石壩應(yīng)力變形等值線

從圖3b和表4可知，在施工期內(nèi)，上游覆蓋層向上游移動，最大水平位移為5.79 cm；下游覆蓋層向下游位移，最大水平位移為15.63 cm。從圖4b可知，蓄水后，壩體及覆蓋層有向下游移動的趨勢，壩體向下游的水平位移明顯增大，達到43.30 cm。

從圖3c和圖4c可知，竣工期土石壩第一主應(yīng)力拱效應(yīng)明顯，心墻區(qū)域第一主應(yīng)力比壩殼堆石的應(yīng)力明顯低許多，蓄水后這種應(yīng)力拱效應(yīng)減弱。另外，從圖3c、4c還可以看到，在混凝土墊座處以及在混凝土防滲墻插入基巖的位置處，壩體及覆蓋層的應(yīng)力分布出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時處于混凝土墊座下面的局部土體單元應(yīng)力極小。

從圖3d可知，竣工期壩體及覆蓋層的應(yīng)力水平總體不大，低于0.65；但在上游圍堰頂部及坡面的局部單元應(yīng)力水平達到了0.85左右。由圖4d可以看出，蓄水后，由于庫水壓力作用心墻之上，上游壩殼及上游圍堰的第三主應(yīng)力急劇減小，而第一主應(yīng)力變化不大，從而導(dǎo)致上游壩殼及上游圍堰的應(yīng)力水平顯著增加。相反，心墻及下游壩殼的應(yīng)力水平有所減小。圖4d還顯示，蓄水后，靠近心墻的上游壩體局部單元以及上游圍堰的局部單元應(yīng)力水平接近0.9。

從表4還可看出，瀝青混凝土心墻竣工期單元的應(yīng)力水平不高，最大值為0.76，位于心墻的底部；蓄水后，由于水荷載是從第三主應(yīng)力方向施加到心墻上游面的，心墻內(nèi)第三主應(yīng)力有所增加，而第一主應(yīng)力變化很小，從而導(dǎo)致心墻內(nèi)的應(yīng)力水平比竣工期明顯降低，蓄水后心墻內(nèi)的應(yīng)力水平最大值降為0.45。因此，竣工期和蓄水期心墻內(nèi)應(yīng)力水平均小于1.0，發(fā)生剪破的可能性不大；同時，心墻內(nèi)無拉應(yīng)力出現(xiàn)，產(chǎn)生拉裂縫的幾率較小。

3.2 蓄水升降循環(huán)對應(yīng)力變形的影響

對土石壩進行兩次蓄水升降循環(huán)有限元計算，即初次蓄水至正常水位后，降水至死水位，然后再升至正常水位，再降至死水位。通過計算比較發(fā)現(xiàn)，在蓄水升降循環(huán)過程中，土石壩及覆蓋層的應(yīng)力、變形、應(yīng)力水平分布形態(tài)與初次蓄水至正常蓄水位時的形態(tài)基本一致。

表5是蓄水升降循環(huán)過程中，壩體、覆蓋層及瀝青混凝土心墻應(yīng)力變形特征值。由表5可知，庫水位初次由正常水位降至死水位時，壩體最大沉降為97.35 cm，與初次蓄水至正常水位時的97.37 cm基本一致，幾乎沒有變化；向下游水平位移最大值為42.41 cm，亦與初次蓄水至正常水位時的43.30 cm相差不大；向上游水平位移最大值為3.90 cm，與初次蓄水至正常水位時的3.81 cm差異較小。在蓄水升降循環(huán)過程中，土石壩及覆蓋層的應(yīng)力變形特征值變化差異也較小。因此，庫水升降循環(huán)對瀝青混凝土心墻土石壩應(yīng)力變形的影響不大。

4 結(jié)論

由于深厚覆蓋層具有一定的可壓縮性，壩體發(fā)生最大沉降的位置會向下偏移，位于距壩頂約2/3壩高處；同時，壩基深厚覆蓋層受壩體的影響，也會向上、下游發(fā)生水平位移。與粘土心墻土石壩一樣，瀝青混凝土心墻壩也存在明顯的應(yīng)力拱現(xiàn)象，心墻的應(yīng)力比壩殼堆石的應(yīng)力低，不過蓄水后這種拱效應(yīng)減弱；蓄水后，由于庫水壓力作用在心墻上，從而導(dǎo)致上游壩殼及上游圍堰的應(yīng)力水平增大，瀝青混凝土心墻及下游堆石的應(yīng)力水平明顯降低。另外，壩體的應(yīng)力變形分布特征受水位升降的影響不大。

表5 庫水位升降循環(huán)下的壩體應(yīng)力變形特征值

［1］ 徐晗，汪明元，等.深厚覆蓋層300 m級超高土質(zhì)心墻壩應(yīng)力變形特征［J］.巖土力學(xué)， 2008， 29（增）:64-68.

［2］ 溫州，邵磊.深厚覆蓋層350 m級心墻堆石壩動強度計算分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版）， 2009， 31（2）:36-39.