某混凝土心墻堆石壩壩坡優(yōu)化計(jì)算分析

黃志剛，張建海，吳玉龍，鄭太文

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)及山區(qū)河流開(kāi)發(fā)與保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065；2.重慶市江河水利水電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院，重慶401120）

某混凝土心墻堆石壩壩坡優(yōu)化計(jì)算分析

黃志剛1，張建海1，吳玉龍1，鄭太文2

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)及山區(qū)河流開(kāi)發(fā)與保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065；2.重慶市江河水利水電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院，重慶401120）

某水庫(kù)工程擬采用瀝青混凝土心墻壩，心墻高度達(dá)到116.43 m。在保證工程安全的前提下，為了提高該瀝青混凝土心墻壩的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)該壩進(jìn)行了壩坡優(yōu)化計(jì)算分析。對(duì)壩坡方案A、方案B、方案C心墻的計(jì)算分析表明：三種方案心墻的最大沉降均出現(xiàn)在壩體中部高程附近，最大沉降量分別為-44.383 cm、-44.241 cm、-44.927 cm，瀝青混凝土心墻與壩體協(xié)調(diào)變位好。在竣工期，各方案壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.537、1.467、1.373；在正常蓄水條件下，各方案壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.461、1.396、1.243，依次降低。方案B挖填方量比方案A減少了39.96×104m3（10.15%），壩體穩(wěn)定性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，上下游壩坡坡度適宜，建議設(shè)計(jì)施工優(yōu)先采用方案B。

瀝青混凝土心墻；非線(xiàn)性有限元；壩坡優(yōu)化設(shè)計(jì)；協(xié)調(diào)變形

某水庫(kù)位于日喀則市桑珠孜區(qū)江森村上游約3.5 km的塔曲中上游河谷段。水庫(kù)正常蓄水位4 538.00 m，總庫(kù)容1 472.20萬(wàn)m3。該工程是以城區(qū)居民供水為主，兼顧東嘎鄉(xiāng)人畜用水和農(nóng)田灌溉用水的水利工程。為了提高水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，水庫(kù)采用瀝青混凝土心墻壩［1］，并對(duì)水庫(kù)的上下游壩坡坡比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

三峽茅坪溪防護(hù)土石壩工程［2］、庫(kù)什塔依水電站工程［3］、冶勒水電站工程［4］，尼爾基水利樞紐工程［5］等（見(jiàn)表1）均采用瀝青混凝土心墻堆石壩方案。由以上心墻壩可知：其上游壩坡坡比在1∶2.0～1∶3.0范圍內(nèi)，下游壩坡坡比在1∶1.75～1∶2.25范圍內(nèi)。本文研究的堆石壩工程瀝青混凝土心墻沿壩體縱軸線(xiàn)布置，厚度80 cm，心墻底部與混凝土基座相連，最大高度達(dá)到116.43 m。該工程心墻壩方案上下游壩坡坡比均比已建工程大，因此有必要對(duì)各方案下某心墻堆石壩進(jìn)行三維有限元計(jì)算，研究壩體及心墻的變形與應(yīng)力特征，定量分析不同上下游壩坡組合［6-8］對(duì)壩體及心墻的應(yīng)力應(yīng)變、壩體邊坡抗滑穩(wěn)定性、挖填方量的影響程度。計(jì)算分析需要關(guān)注局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，并提出相應(yīng)措施，最后得出壩坡優(yōu)選方案。

心墻堆石壩材料及壩基覆蓋層具有明顯的非線(xiàn)性特征，故采用鄧肯-張（Duncan-Chang）彈性非線(xiàn)性模型的E-B模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算程序采用四川大學(xué)水電學(xué)院多年擴(kuò)充完善的三維非線(xiàn)性有限元分析程序NASGEWIN（計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記號(hào)：2009SR027603）進(jìn)行該水庫(kù)混凝土心墻堆石壩三維非線(xiàn)性分析。

1 三維計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

三維計(jì)算模型沿壩軸線(xiàn)上下游分別取250 m，即順河向X軸方向截取500.00 m；豎向Y軸由4 330.00 m高程取至壩頂4 535.30 m高程，橫河向Z軸由左岸指向右岸，由樁號(hào)0-132.00 m取至樁號(hào)0+596.00 m，總長(zhǎng)度728.00 m，共切取縱向31個(gè)剖面。河床表面覆蓋層深淺不一，最大厚度約50.00 m，心墻底端位于混凝土基座上。建模過(guò)程中詳細(xì)模擬了基巖、覆蓋層、混凝土心墻、泥皮、墊層、堆石料、過(guò)渡料等結(jié)構(gòu)特征。三維有限元網(wǎng)格共計(jì)剖分16 950個(gè)節(jié)點(diǎn)和17 108個(gè)單元。壩體共分為15級(jí)填筑，圖1、圖2為壩體及混凝土心墻的三維網(wǎng)格模型，圖3給出了河谷0+259.00 m剖面的主要結(jié)構(gòu)特征網(wǎng)格圖。為后續(xù)討論方便，圖中標(biāo)出了4 486.00 m高程附近三個(gè)特征節(jié)點(diǎn)。

圖1某混凝土心墻堆石壩三維計(jì)算模型

圖2 某混凝土心墻（厚度80.00 cm）三維計(jì)算模型

圖3 某心墻壩0+259.00 m典型剖面網(wǎng)格圖

1.2 計(jì)算方案及參數(shù)

表2中方案A、方案B、方案C的混凝土心墻壩的壩坡坡度依次增加，通過(guò)比較這三種方案的心墻變形特征，分析采用何種壩坡組合更能適應(yīng)心墻與壩體協(xié)調(diào)變形，降低應(yīng)力水平，提高大壩經(jīng)濟(jì)適用性。表3為材料的參數(shù)取值，計(jì)算中各方案的正常蓄水位取為4 531.00 m。C30混凝土變形模量E= 30 GPa，泊松比μ=0.167。

表2 東嘎混凝土心墻堆石壩計(jì)算方案

表3 某水庫(kù)土體E-B模型參數(shù)

2 計(jì)算成果

2.1 應(yīng)變分析

圖4為剖面0+259.00 m在正常蓄水下3種方案特征節(jié)點(diǎn)的位移情況，圖5是方案B在正常蓄水下剖面0+259.00 m的位移等值線(xiàn)圖，由圖4、圖5可知：

圖4 正常蓄水特征節(jié)點(diǎn)順河向和豎向位移圖

圖5 正常蓄水0+259.00 m剖面順河向和豎向位移等值線(xiàn)圖（方案B-1）

（1）對(duì)于壩體豎向位移，對(duì)比蓄水方案下游節(jié)點(diǎn)9556的沉降，方案A-1的壩體最大沉降值為-39.684 cm（約占?jí)胃?27.5 m的0.311%），方案B -1的最大沉降值-40.690 cm僅比方案A-1增加了約1.006 cm，方案C-1的最大沉降值-40.643 cm。可見(jiàn)方案A-1、方案B-1、方案C-1的計(jì)算結(jié)果呈增大趨勢(shì)，但差異微小。而上游節(jié)點(diǎn)由于水推力和浮托力作用，方案A-1、方案B-1、方案C-1的沉降逐步減小。

（2）對(duì)于壩體順河向位移，蓄水方案下方案A-1的壩體順河向位移為24.311 cm，方案B-1順河向位移為27.510 cm。方案C-1的順河向位移為27.722 cm?？梢?jiàn)蓄水情況下，壩坡逐漸增大對(duì)壩體豎向位移影響不大，但是會(huì)顯著增大水庫(kù)順河向位移。

（3）對(duì)于心墻節(jié)點(diǎn)9378，隨著方案A-1、方案B -1、方案C-1上下游壩坡坡度逐漸增大，心墻順河向位移呈現(xiàn)出逐漸增大的特點(diǎn)，其值分別為24.291 cm、26.434 cm、26.571 cm；各方案的豎向位移值分別為-44.383 cm、-44.683 cm、-44.553 cm，可見(jiàn)上下游壩坡逐漸增大對(duì)壩體豎向變位的影響不大。

（4）在正常蓄水位下，方案B最大的順河向位移出現(xiàn)在次堆石區(qū)4 500.00 m高程附近，極值約為30.00 cm；最大沉降出現(xiàn)在壩體中部高程4481.00 m附近，極值約為-44.683 cm。

圖6為3種方案0+259.00剖面在竣工期和蓄水情況下心墻中軸面的位移，由圖6可知：

圖6 0+259.00m剖面混凝土心墻中軸面位移隨高程變化圖

（1）對(duì)于心墻中軸面，各方案典型剖面的最大沉降均出現(xiàn)在4 486.00 m高程處附近。在竣工期方案A-0、方案B-0、方案C-0的心墻沉降值分別為-43.562 cm、-43.720 cm、-43.670 cm，水平位移值分別為2.950 cm、3.342 cm、2.892 cm，可見(jiàn)上下游壩坡坡度逐漸增大，對(duì)竣工期方案A-0、方案B -0、方案C-0的順河向位移和豎向位移變化影響不大。

（2）在正常蓄水下隨著方案A-1、方案B-1、方案C-1上下游壩坡坡度逐漸增大，各方案的豎向位移極值為-44.383 cm、-44.918 cm、-44.927 cm，可見(jiàn)上下游壩坡逐漸增大對(duì)壩體豎向變位的影響不大；心墻順河向位移表現(xiàn)出隨坡度增大而增大的特點(diǎn)，其極值分別為24.391 cm、26.534 cm、26.671 cm。

2.2 邊坡穩(wěn)定分析

圖7描述了該水庫(kù)瀝青混凝土心墻壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，由圖7可知：

圖7 邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)圖

隨著方案A、方案B、方案C的壩體上下游壩坡坡度逐漸增大，在竣工期，各方案上游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.537、1.467、1.373；在正常蓄水條件下，各方案上游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.461、1.396、1.243，依次降低?？⒐て?，三種方案均滿(mǎn)足此工程邊坡抗滑穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)；正常蓄水下，方案C低于規(guī)范要求，需要做相應(yīng)的加固措施。

2.3 工程量分析

圖8描述了各方案下挖填方量，由圖8可知：

圖8 挖填方量統(tǒng)計(jì)圖

隨著方案A、方案B、方案C的壩體上下游壩坡坡度逐漸增大，其挖填土方量分別為393.64萬(wàn)m3、353.68萬(wàn)m3、345.50萬(wàn)m3，方案B比方案A少用填方39.96萬(wàn)m3（減少約10.15%），方案C比方案A少用填方48.14萬(wàn)m3（減少約12.23%），綜上可知，方案B、方案C的土石挖填方量比方案A用量小。

2.4 應(yīng)力水平

圖9為正常蓄水時(shí)方案B的應(yīng)力水平等值線(xiàn)，由圖9可知：

（1）對(duì)于方案B-1，上游壩殼料浸沒(méi)于水中，在浮托力作用下，上游壩體應(yīng)力水平增大。在心墻和上下游堆石料區(qū)，方案B-1的應(yīng)力水平要比方案B -0（竣工期）增加約0.3～0.5，但應(yīng)力水平均不超過(guò)0.95；而壩體下游側(cè)由于水推力的作用，側(cè)向力有所增大，在相同位置方案B-1比方案B-0（竣工期）下游的心墻中下部應(yīng)力水平部分有微弱下降，下降量值約0.1～0.2。

（2）正常蓄水時(shí)，方案B在4481.00 m高程壩坡轉(zhuǎn)折處應(yīng)力水平為0.90，在4505.00 m高程壩坡轉(zhuǎn)折處應(yīng)力水平為0.80，下游坡腳處的應(yīng)力水平為0.93，均滿(mǎn)足規(guī)范要求，為了增加安全穩(wěn)定性，建議在相應(yīng)位置采取適當(dāng)?shù)墓こ碳庸檀胧?/p>

圖9 正常蓄水0+259.00 m剖面應(yīng)力水平等值線(xiàn)圖（方案B-1）

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某水庫(kù)瀝青混凝土心墻壩壩坡優(yōu)化的計(jì)算分析可知：

（1）模擬采用的3種瀝青混凝土心墻壩壩坡設(shè)計(jì)方案的心墻與壩體應(yīng)變協(xié)調(diào)，滿(mǎn)足要求。正常蓄水下，方案A、方案B、方案C的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.461、1.396、1.243，依次降低。方案C由于上游壩坡坡度較陡，不利于壩體邊坡穩(wěn)定，計(jì)算顯示在蓄水方案下，該方案壩坡穩(wěn)定性不滿(mǎn)足規(guī)范要求。方案A坡度較緩，挖填方量較大，壩體占地面積也會(huì)增大，可能不利于施工開(kāi)展。方案B的上下游壩坡坡度適宜，比方案A節(jié)省填方10.15%，經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)壩體穩(wěn)定性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（2）壩體和心墻應(yīng)力水平滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但是上游壩坡在壩坡坡面轉(zhuǎn)折處，以及下游坡腳處應(yīng)力水平相對(duì)較高，建議進(jìn)行相應(yīng)的工程處理。例如對(duì)下游坡腳，可以增加排水棱體以增加壩體安全穩(wěn)定性。

［1］ 王清友，王綦正.塑性混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析及其設(shè)計(jì)［J］.水力發(fā)電，1992（8）：18－23.

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Optimization Design of the Dam Slopes of an Asphalt Concrete Core－wall Structure of Rock－fill Dam

HUANG Zhigang1，ZHANG Jianhai1，WU Yulong1，ZHENG Taiwen2（1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River and Protection，College of Water
Resources&Hydropower，Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China；
2.Jianghe Water Conservancy and Hydropower Consulting&Design Center of Chongqing City，Chongqing 401120，China）

A project was proposed to build an asphalt concrete core wall dam，the height of asphalt concrete core wall reaches 116.43m.Under the premise of ensuring the safety of engineering，in order to improve the economy index of the asphalt concrete core wall dam，the optimization design of dam slopes was proposed in this paper.The calculation and analysis of the core wall stress and strain of plan A，plan B and plan C show that the maximum subsidence of asphalt concrete core walls appears in the middle of the dam height，the subsidence in turn are about-44.383 cm、-44.241 cm、-44.927 cm，which shows that asphalt concrete core wall has good flexibility to deform harmonically with the dam.During the time of completion，the anti－sliding stability safety coefficients are 1.537、1.467、1.373.During the storage period，the anti－sliding stability safety coefficients are 1.461、1.396、1.243，which shows the value decreases as the dam slopes become steeper.The excavation and embankment volume of plan B decreases about 39.96×104m3（10.15%）in comparison with plan A，the dam stability can meet design requirements and the dam slope of upstream and downstream is suitable，so plan B is recommended.

asphalt concrete core wall；nonlinear finite element；optimization design of the dam slopes；compatible deformation

TV641.4+1

A

1672—1144（2016）05—0070—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.013

2016－05－27

2016－06－21

黃志剛（1991—），四川西昌人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土數(shù)值模擬、大壩與基礎(chǔ)研究。E－mail：huangzhigangsm@163.com