某CSGR大壩應力和穩(wěn)定性分析

(四川大學工程設計研究院有限公司，四川 成都 610065)

膠凝砂礫石壩[1](CSGR)是一種新壩型，基本剖面為上下游壩坡大致對稱的梯形，上游壩面采取防滲措施，筑壩材料采用價格低廉的低強度膠凝砂礫石料。這種壩型具有安全性高、抗震性強和對地基條件要求低的優(yōu)點，而且施工簡便、快速，造價低廉，對環(huán)境的負面影響小[2]。目前我國對CSGR壩結(jié)構(gòu)特性的研究尚處于理論分析研究階段，結(jié)合實際工程應用的研究成果還不多見[3]。本文介紹了某CSGR壩的應力變形分析成果，可供類似工程參考。

1 工程概況

某水庫大壩由左岸擋水壩段、泄洪溢流壩段、右岸擋水壩段組成。壩軸線長167.00 m，壩頂寬6.00 m，大壩壩頂高程 967.00 m，建基面最低高程892.50 m，最大壩高74.50 m。壩體上游壩坡在高程 956.00 m上為鉛直、以下為1∶0.6的斜坡，下游壩坡為1 ∶0.6，起坡點高程 956.00 m。

某水庫壩址區(qū)出露中生界三迭系中統(tǒng)百蓬組地層，巖性主要為砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，表層零散分布有第四系松散堆積物，其中泥質(zhì)粉砂巖屬較軟巖。

2 常規(guī)法計算

采用材料力學法和剛體極限平衡法[4]，對4號壩段進行壩體及壩基強度、壩體及壩基接觸面抗滑穩(wěn)定性、壩體應力進行分析計算。

4號壩段壩高73.50 m，上游壩面表層采用厚2.50 m的常態(tài)混凝土C25W8，壩體內(nèi)采用膠凝顆粒料強度等級C10，壩基基礎(chǔ)采用厚2.00 m常態(tài)C20混凝土墊層，背坡采用厚1.00 m常態(tài)混凝土C20。壩體與基巖的接觸面的抗剪強度摩擦系數(shù)f=0.6，抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.8，C′=0.6 MPa。

壩體穩(wěn)定計算成果見表1，應力計算成果見表2。

表1 壩體抗滑穩(wěn)定計算成果

表2 應力計算成果 MPa

注：負值表示壓應力，正值表示拉應力。

由以上計算成果可知，壩體抗滑穩(wěn)定計算安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，并有較大富余。在各種設計荷載組合下，壩趾應力均為壓應力，且遠小于C20混凝土抗壓強度設計值(9.6 MPa)；從垂直正應力值看，壩基應力分布均勻且應力數(shù)值低，壩基巖體有足夠的承載力。

3 有限元計算

某水庫膠凝砂礫石壩ANSYS有限元計算[5]過程中，假定壩體一次性填筑完成，通過一次施加壩體自重荷載來模擬施工過程。假定壩基初始地應力由巖體自重產(chǎn)生，不考慮構(gòu)造應力的影響，通過施加巖體自重的方法模擬初始地應力。各種工況下壩體位移計算成果見表3，應力計算成果見表4。各工況下壩體及壩基應力與變形見圖1。

表3 各種工況下壩體特征部位位移 cm

圖1 各種工況下壩體及壩基應力與變形

通過分析ANSYS有限元計算成果得到如下的結(jié)論。

(1)完建工況下，壩體只有自重作用，無其他外荷載，壩體略向上游變形。豎直位移均為沉降，且隨著高程的增加，豎向位移逐漸增加，最大值為-1.620 cm。對于同一高程而言，由于壩體重心略偏向上游，使得壩體上游面變形大于下游面。壩基巖體的豎向位移隨著壩基深度的增加而減小。

(2)完建工況下，壩體及壩基的最大主應力σ1均為壓應力，由于壩體體型比較對稱，其受力基本按照壩軸線對稱分布，其值隨著高程的增加而減小。

表4 各種工況下壩體特征部位應力 MPa

由于壩體自重的作用，壩體下部壩基的最大主應力大于壩體兩側(cè)壩基。在蓄水運行之前，壩體產(chǎn)生向上游變位，使壩踵受壓，其值為-2.839 MPa，壩趾處也受壓，其值為-2.495 MPa，由于壩體體型較勻稱，其兩者值相差不大。壩基與壩體的最小主應力σ3全為壓應力，且量值隨著高程的增加而降低，就同一高程而言，壩體的最小主應力分布較均勻，應力水平均在-0.133 MPa以下。

(3)正常蓄水位工況下，壩體豎向位移均為負值，即向下沉降，且從壩基到壩體，其值隨著高程的增加而增大，最大豎向位移為-1.843 cm，出現(xiàn)在上游壩頂。受上游水荷載的影響，壩體的豎向位移較完建工況(-1.620 cm)有所增加。對于同一高程而言，由于壩體上游坡度較緩，上游壩體水重影響較大，加之上游水推力的作用，使壩體上游面豎直向位移大于壩體下游面，壩體向上游變形；對于壩基巖體，由于上游水位比下游水位高很多，上游壩基巖體所承受的水重及水壓力更大，因而上游壩基巖體的豎直向位移明顯大于下游壩基巖體。在水荷載的作用下，壩體水平位移由完建工況的向上游變位變?yōu)檎Ｐ钏还r的下游變位，由于壩體上游坡度較緩，所承受的水重較大，在壩體中下部有壓縮的可能，使得壩體的水平位移最大值出現(xiàn)在壩體上游面中下部。

(4)在正常蓄水位工況下，壩體與壩基的最大主應力均為壓應力，其值隨著高程的增加而降低，最小值出現(xiàn)在壩頂；就同一高程而言，壩體下游面的最大主應力大于壩體上游面。壩體的最大主應力均為壓應力，由于水壓力及揚壓力的作用，壩踵的最大主應力值為-0.406 MPa，較完建工況的-2.839 MPa大幅降低，壩趾的最大主應力值為-2.737 MPa,較完建工況的-2.495 MPa有所增加。壩體的最小主應力基本為壓應力，而且應力水平較低，小于-0.15 MPa。由于上游水荷載的作用，在壩踵處產(chǎn)生了拉應力，其值為 0.913 MPa；壩基巖體的最小主應力大部分為壓應力，在壩踵附近有應力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生了約 0.33MPa的拉應力。

(5)在設計荷載組合下，壩踵和壩趾處垂直應力均為壓應力，應力分布均勻且應力水平低；壩趾處均為壓應力，壓應力值遠小于C15混凝土抗壓強度設計值(7.2 MPa)，因此《膠凝顆粒筑壩技術(shù)導則》(SL678-2014)推薦參照重力壩設計規(guī)范進行應力計算分析的方法較為安全，可應用于工程設計中。

4 結(jié) 語

通過使用材料力學法和有限元法計算，得到了某水庫膠凝砂礫石壩的應力變形成果。結(jié)果表明：某水庫膠凝砂礫石壩結(jié)構(gòu)設計較為合理，工程安全性高，抗滑穩(wěn)定性良好，其應力水平較低，且分布均勻；但在壩踵和壩趾處存在一定的應力集中現(xiàn)象，在工程施工中應確保壩踵、壩趾處的施工質(zhì)量。