填筑方法及水位變化對土石壩應(yīng)力變形的影響

符碧君

（景德鎮(zhèn)玉田水庫管理處，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

對于巖土體材料，水是影響其抗剪性質(zhì)最主要的因素，土石壩在長期的水位變化過程中，壩體內(nèi)部發(fā)生滲流作用，影響著土石壩材料特性，進(jìn)而對土石壩的穩(wěn)定性造成影響[1-3]。

由于巖土體特殊的性質(zhì)，其變形處于非線性的，這種非線性變化不僅與自身材料屬性有關(guān)，還受到外在荷載等的影響[4-5]。土石壩的應(yīng)力應(yīng)變受到多種因素的影響，土石壩的填筑方式對土石壩的變形與應(yīng)變影響較為明顯，不同的水位情況下，土石壩的應(yīng)力應(yīng)變也將有很大差異[6-8]。

本文利用有限元Abaqus軟件，對黏土心墻壩體進(jìn)行分析，對不同填筑方式和水位變化下的土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

1 模型的建立及模型參數(shù)

某小型農(nóng)田水庫總庫容900萬m3，主要任務(wù)是為該地區(qū)的農(nóng)田提供灌溉需要，大壩高50m，正常情況下，庫容量810萬m3，后期因人口遷移，村莊合并，農(nóng)田統(tǒng)一管理，原水庫庫容難以滿足實(shí)際灌溉需求，需要對水庫進(jìn)行擴(kuò)建。擬設(shè)計(jì)水庫庫容1600萬m3，擬采用摻礫黏土心墻土石壩，壩頂寬6m，壩高50m，心墻采用混凝土蓋板，設(shè)置兩層反濾層，壩殼料為堆石體。

對研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理，選取庫岸的某個典型斷面進(jìn)行分析，對坡面進(jìn)行適當(dāng)簡化，庫岸斷面結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 庫岸地質(zhì)剖面圖

庫岸岸坡為黏土心墻土石壩，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)及規(guī)范[9]，對巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，土體采用非線彈性的鄧肯張模型，壩坡相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

由于巖土體的非線性特性，土石壩的變形受到多種因素影響，土石壩的填筑方法對其應(yīng)力變形影響較大，對利用Phase2有限元軟件，對不同填筑方法情況下黏土心墻土石壩進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析。

2 加載與分層填筑

2.1 一次性加載

在壩體填筑過程中，采用的加載方式為一次性加載，即在壩體填筑完成后對壩體施加荷載。一次性加載時壩體最大斷面如圖2。

圖2 一次性加載壩體最大斷面

根據(jù)圖2得出，①壩體的最大豎向位移為壩體中部，最大位移38.72cm，壩體豎向位移以壩軸線為對稱分布，離壩體中部越遠(yuǎn)，壩體的沉降量越小，壩高越大，豎向沉降量越大；②壩體水平方向位移有上游向下游移動，壩體中部位移沒有發(fā)生明顯變化，壩體上游水平位移最大值7.41cm，下游水平位移最大值7.41cm；③壩體的最大主應(yīng)力以壩軸線為對稱分布，壩腳的最大主應(yīng)力最小，為0.199MPa，壩軸線底部的最大主應(yīng)力最大，為0.392MPa，大壩處于受壓狀態(tài)；壩體的最小主應(yīng)力以壩軸線為對稱分布，壩腳的最小主應(yīng)力最小，為7.123kPa，土石壩心墻與壩體連接處最小主應(yīng)力最大，為0.844MPa，根據(jù)云圖顯示，土石壩呈現(xiàn)拱效應(yīng)。

2.2 分層填筑

在壩體填筑過程中，采用的加載方式為分層加載，共分為5級，每級加載10m。施工期分層加載時壩體最大斷面如圖3。

圖3 分層加載時壩體最大斷面

由圖3可知：①壩體的最大豎向位移為壩體中部，最大位移21.52cm，壩體豎向位移以壩軸線為對稱分布，離壩體中部越遠(yuǎn)，壩體的沉降量越?。虎趬误w水平方向位移有上游向下游移動，壩體中部位移沒有發(fā)生明顯變化，壩體上游水平位移最大值2.53cm，下游水平位移最大值2.53cm；③壩體最大主應(yīng)力以壩軸線為對稱分布，壩腳的最大主應(yīng)力最小，為0.132MPa，壩軸線底部的最大主應(yīng)力最大，為0.443MPa，大壩處于受壓狀態(tài)；壩體的最小主應(yīng)力以壩軸線為對稱分布，壩腳的最小主應(yīng)力最小，為8.124kPa，土石壩心墻與壩體連接處最小主應(yīng)力最大，為0.877MPa，土石壩呈現(xiàn)拱效應(yīng)。

2.3 對比分析

針對上述兩種不同加載方式下壩體計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行對比分析。計(jì)算結(jié)果對比如表2。

表2 計(jì)算結(jié)果對比

由表2可知，不同加載方式情況下，土石壩的沉降量有明顯區(qū)別，水平位移相差不大，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布情況大致相同，沿壩軸線對稱分布。由此可見，土石壩在填筑過程中，采用分層填筑方式，能有效降低土石壩的沉降，減小土石壩變形量。

3 蓄水過程

分層填筑土石壩后，蓄水過程中，庫水位上升，計(jì)劃40d蓄水到40m高度，對土石壩應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。

3.1 位移分析

蓄水時壩體最大斷面位移計(jì)算如圖4。

圖4 蓄水時壩體最大斷面位移計(jì)算

土石壩經(jīng)過分層填筑后，水庫進(jìn)行蓄水，蓄水結(jié)束后壩體最大豎向位移21.79cm，最大水平位移3.43cm，相比于竣工期，豎向位移稍有增加，水平位移增加量較大，由此可知，壩體的沉降主要由填筑方式引起的。

3.2 應(yīng)力分析

蓄水時壩體最大斷面應(yīng)力計(jì)算如圖5。

圖5 蓄水時斷面應(yīng)力計(jì)算

從圖5可知，水庫蓄水后，壩體最大壓應(yīng)力0.461MPa，壩體最大拉應(yīng)力0.322MPa，蓄水后，壩體的最大主應(yīng)力分布不再呈現(xiàn)對稱分布；水庫蓄水后，最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力，大小9.09MPa，相比于竣工期稍有提高，最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力，大小0.171MPa。水庫蓄水后，應(yīng)力分布不再呈現(xiàn)對稱分布，拱效應(yīng)消失。

4 水位下降過程

水庫蓄水后，逐漸降低庫水位，對庫水位下降過程中的土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

4.1 位移分析

水位下降時壩體最大斷面位移計(jì)算如圖6。

水位下降后，壩體的最大豎向位移為22.96cm，相比于蓄水時的最大豎向位移21.79cm有所增加，而水平向位移幾乎不變。

圖6 水位下降時壩體最大斷面位移計(jì)算

4.2 應(yīng)力分析

水位下降時壩體最大斷面應(yīng)力計(jì)算如圖7。

水位下降后，在壩體上游最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力有明顯變化，但在壩體下游，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力幾乎不變。

5 結(jié)語

（1）利用有限元Abaqus軟件，對黏土心墻壩體進(jìn)行分析，對不同填筑方式和水位變化下的土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

（2）對一次性加載和分層加載兩種方式下的土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，計(jì)算得到分層加載時，土石壩的沉降量21.52cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一次性加載時的沉降量，分層加載的填筑方式更適合工程需要。

（3）水庫蓄水后，土石壩豎向位移無明顯變化，水平位移增加較大，上游壩體的應(yīng)力影響較大，下游壩體應(yīng)力影響較小，拱效應(yīng)消失。

（4）水位下降后，土石壩的豎向位移和水平位移無明顯變化，在壩體上游最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力變化明顯，但在壩體下游，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均無明顯變化，水位下降時對上游壩坡的穩(wěn)定不利，需要加強(qiáng)防護(hù)。