覆蓋層厚度對澆筑式瀝青混凝土心墻壩動力性能的影響

王建祥， 唐新軍， 張凌凱

（1.北部灣大學(xué)建筑工程學(xué)院，廣西欽州 535011； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

澆筑式瀝青混凝土由于具有良好的變形協(xié)調(diào)能力、抗沖刷和老化能力等優(yōu)點［1-4］，同時也能夠滿足在高地震烈度、深厚覆蓋層等復(fù)雜條件下的筑壩要求［5-8］，現(xiàn)在很多的土石壩都建立在深厚覆蓋層上，但覆蓋層對心墻土石壩的性能有很大的影響［9-11］，國內(nèi)外學(xué)者對此也進行了相關(guān)方面的研究［12-15］. 針對深厚覆蓋層壩基，白新革等［16-18］對廊道進行了有限元分析計算，探討了覆蓋層厚度對廊道應(yīng)力和變形的影響，分析結(jié)果表明，增加覆蓋層厚度，廊道的應(yīng)力和變形均增大. 在地震高發(fā)區(qū)，覆蓋層對心墻壩的抗震性能影響更大.馮蕊等［19-21］針對深厚覆蓋層心墻壩進行了動力計算分析，得到了防滲體的加速度、動應(yīng)力和動位移的變化規(guī)律. 但目前對心墻壩中關(guān)于覆蓋層方面的研究分析還不夠深入. 本文考慮在地震作用下，根據(jù)有限元分析模型，研究在不同厚度的覆蓋層條件下，對瀝青心墻壩進行地震計算分析，探討覆蓋層厚度對心墻壩動力響應(yīng)的影響.

1 計算模型

某水利樞紐工程具有灌溉、供水等綜合利用效益，擔負下游工業(yè)園區(qū)1 110.85萬m3/a的供水任務(wù). 該工程為Ⅲ等中型工程，大壩設(shè)計為瀝青混凝土心墻壩，壩高66 m，上、下游面坡比分別為1∶2.25和1∶2. 樞紐正常蓄水位1474 m，庫容約為2100萬m3，灌溉面積1.35萬hm2. 瀝青混凝土心墻壩部位主要包括壩殼料區(qū)、瀝青心墻區(qū)、過渡料區(qū)和上游圍堰區(qū)等，心墻壩典型橫剖面見圖1. 依據(jù)心墻壩進行分區(qū)，建立了三維有限元模型，進行剖分網(wǎng)格，得到三維有限元模型［22］，如圖2所示.

圖1 橫剖面圖Fig.1 Cross section diagram

2 計算方案及模型參數(shù)

針對澆筑式瀝青心墻壩及覆蓋層的特點，設(shè)計計算方案為逐級增加覆蓋層厚度，每級增加20 m，覆蓋層厚度從0 m增加到100 m. 根據(jù)計算方案，進行動力計算，分析基礎(chǔ)覆蓋層厚度對心墻壩動力計算結(jié)果的影響. 靜力計算模型采用鄧肯-張模型，相應(yīng)模型參數(shù)見表1；動力計算模型采用等效線性模型，模型參數(shù)見表2；防滲墻及心墻基座的材料彈性模量E=0.8 GPa，μ=0.167.

圖2 三維有限元網(wǎng)格Fig.2 3D finite element mesh

表1 靜力計算模型參數(shù)Tab.1 Static calculation model parameters

表2 動力計算模型參數(shù)Tab.2 Dynamic calculation model parameters

3 計算結(jié)果及分析

3.1 基礎(chǔ)覆蓋層厚度對心墻壩加速度的影響規(guī)律

根據(jù)設(shè)計方案進行計算，得到不同覆蓋層厚度下心墻壩的計算結(jié)果，研究基礎(chǔ)覆蓋層厚度對大壩頂部豎向、壩軸向及順河向的最大絕對加速度的影響，具體見圖3.

根據(jù)圖3可知，隨著覆蓋層厚度的增加，壩頂順河向最大絕對加速度均表現(xiàn)為減小趨勢；在覆蓋層厚度為20 m時，壩頂順河向絕對加速度為5.82 m/s2；當覆蓋層增加到60 m和100 m，壩頂絕對加速度分別減小到5.14 m/s2和4.83 m/s2，且減小的幅度逐漸變?。回Q向和壩軸向壩頂絕對加速度隨覆蓋層的變化規(guī)律與順河向相同. 這是因為當覆蓋層的厚度增加，壩體的阻尼作用增強，相應(yīng)加速度減小. 當覆蓋層增加時，豎向、壩軸向及順河向的加速度放大倍數(shù)整體均呈現(xiàn)減小的趨勢，豎向比順河向及壩軸向的加速度放大倍數(shù)明顯較大.

3.2 基礎(chǔ)覆蓋層厚度對心墻壩動位移的影響規(guī)律

在地震時，壩體產(chǎn)生的動位移過大，整體大壩的穩(wěn)定性就會有較大的影響. 依據(jù)計算結(jié)果，研究覆蓋層厚度對心墻壩最大位移的影響，具體見圖4.

圖4 覆蓋層厚度對心墻壩最大位移的影響Fig.4 Influence of overburden layer thickness on the maximum displacement of core wall dam

由圖4可得，隨覆蓋層厚度的增加，壩體的豎向、壩軸向和順河向的最大動位移均呈逐漸增大趨勢. 在覆蓋層厚度為20 m時，壩體順河向最大位移為6.48 cm；當覆蓋層增加到60 m和100 m，壩體順河向最大位移分別增大到9.65 cm和15.54 cm. 覆蓋層相同情況下，壩軸向和豎向相對于順河向的最大動位移明顯較小.心墻豎向、壩軸向和順河向的最大動位移也是隨覆蓋層的增加而增大，當覆蓋層增加到100 m，心墻順河向最大位移增大到14.94 cm. 覆蓋層比基巖的剛度小很多，在地震荷載下，大壩基礎(chǔ)的動位移將隨覆蓋層厚度的增加而增大，因此壩體和瀝青混凝土心墻的動位移也將增大.

3.3 基礎(chǔ)覆蓋層厚度對瀝青心墻主應(yīng)力的影響規(guī)律

覆蓋層厚度對瀝青混凝土心墻有較大的影響，依據(jù)設(shè)計方案及計算結(jié)果，研究覆蓋層厚度對澆筑式瀝青混凝土心墻主應(yīng)力的影響規(guī)律，具體見圖5.

圖5 覆蓋層厚度對瀝青心墻主應(yīng)力的影響Fig.5 Influence of overburden layer thickness on the main stress of asphalt core wall

圖5是指在不同厚度的覆蓋層下，澆筑式瀝青混凝土心墻中軸線上主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力變化規(guī)律. 針對不同厚度覆蓋層的心墻壩進行動力計算結(jié)果表明，增加覆蓋層厚度對瀝青心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力的影響較小，影響結(jié)果不明顯；澆筑式瀝青混凝土心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力變化范圍很小. 在確定覆蓋層厚度情況下，隨著瀝青心墻高度的增加，心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力逐漸減小.

4 結(jié)論

1）隨著覆蓋層厚度的增加，壩頂順河向最大絕對加速度均表現(xiàn)為減小趨勢；在覆蓋層厚度為20 m時，壩頂順河向絕對加速度為5.82 m/s2；當覆蓋層增加到60 m 和100 m，壩頂絕對加速度分別減小到5.14 m/s2和4.83 m/s2；豎向和壩軸向壩頂絕對加速度隨覆蓋層的變化規(guī)律與順河向相同.

2）隨覆蓋層厚度的增加，壩體的豎向、壩軸向和順河向的最大動位移均呈逐漸增大趨勢；在覆蓋層厚度為20 m時，壩體順河向最大位移為6.48 cm；當覆蓋層增加到60 m和100 m，壩體順河向最大位移分別增大到9.65 cm和15.54 cm；覆蓋層相同情況下，壩軸向和豎向相對于順河向的最大動位移明顯較小. 心墻豎向、壩軸向和順河向的最大動位移也是隨覆蓋層的增加而增大，當覆蓋層增加到100 m，心墻順河向最大位移增大到14.94 cm.

3）增加覆蓋層厚度對瀝青心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力的影響較小，影響結(jié)果不明顯；澆筑式瀝青混凝土心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力變化范圍很小. 在確定覆蓋層厚度情況下，隨著瀝青心墻高度的增加，心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力逐漸減小.