占 平

(景德鎮(zhèn)市水利工程建設質量與安全監(jiān)督站，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

土石壩具有施工簡便、造價便宜、可就地取材等優(yōu)點[1]逐漸成為常見壩型。隨著土石壩的快速發(fā)展，一些問題也漸漸出現，因此對于土石壩的研究意義重大。

有限元計算是研究土石壩的一種主要方法[2]。在進行有限元計算時采取不同參數和對應計算模型得出數據有所不同，因此要選取合適的模型和參數。鄧肯-張雙曲線模型[3]是非線性彈性模型的典型，20世紀70年代，Duncan和Change在konder等人的研究基礎上進行改進，將雙曲線模型用來表示土體的應力應變，發(fā)現可以較好的反應土體的相關特性，后來通過眾多學者[4-6]進一步試驗研究對模型的參數進行了完善。除此之外還有考慮土體各向異性的鄧肯-張模型、G-K模型、E-K模型等。劍橋模型也是彈塑性模型的一個代表，他闡述了彈塑性變形特性，許多學者[7]對此也進行了補充和完善，我國沈珠江院士將鄧肯-張模型和劍橋模型與自己的研究相結合提出了南北模型。隨著有限元技術理論的成熟，不少學者開始用有限元進行研究[8-9]。河海大學殷宗澤等人[10]采用典型鄧肯-張模型進行混凝土心墻壩的應力計算，隨后其又利用二維的比奧固結理論進行了相關研究。

有限元技術的快速發(fā)展，涌現出像AUTOBANK，GEOSTUDIO，ANSYS，ABAQUS等計算軟件。本文利用AUTOBANK軟件，采用典型的鄧肯-張模型進行土石壩的穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

某樞紐為中型水利樞紐工程，水庫規(guī)模為大(3)型，主要由溢洪道、攔河壩、心墻、引水隧洞、電站等組成。水庫上游河流總長79km，流域面積598.5km2。水庫死水位為245m，最小庫容為3.58×104m3，設計水位為267m，采用百年一遇，相應庫容為4.96×104m3，調節(jié)庫容4.6×104m3。校核水位為270m，校核庫容為6.2×104m3。溢洪道和攔河大壩洪水標準采用百年一遇。

樞紐攔河大壩是瀝青混凝土心墻堆石壩，長1350m、壩頂寬6.0m，在土石壩頂上設防浪墻，墻高1.2m，壩頂高程270.1m。堆石壩由上、下游壩體堆石、過渡層及瀝青混凝土心墻等組成，上游壩坡采用干砌石護坡，厚度0.3m，坡比為1∶2?；A處理采用帷幕灌漿。

2 模型建立

采用大型有限元軟件AUTOBANK，其可以進行涵洞、土石壩、閘墩以溢洪道等的計算。該軟件可以以CAD為基礎圖形，截面直接圖形化，各階段之間無縫結合?？梢杂邢薜挠嬎阃潦瘔蔚氖┕ず瓦\行過程中壩體的沉降、位置移動、應力變化的發(fā)展變化過程。單元采用四節(jié)點的等參單元[11]，可以使用Fortran進行內部編譯想研究的內容。

計算模型采用鄧肯E-B模型，計算所用的相關參數參考相關資料見表1。

模型基本原理：將切線體積模量Bt用來代替切線泊松比Vt，再通過式(2)求解切線泊松比。

表1 模型參數

(1)

(2)

(3)

d11=d22=d33，d12=d21=d13=d31=d23=d32，其余為0。

模型的加卸荷準則如下：

首先設定加載函數

(4)

定義SS為所有時間最大值Ssmax，根據σ3利用式(5)計算出最大應力，然后將Sc與現在土應力S進行對比：

(5)

當S≥Sc，是加載狀態(tài)，E=Et；

當S0.75Sc，是全卸載狀態(tài)，E=Eur；

當0.75S

(6)

3 結果分析

3.1 竣工期計算結果分析

圖1為竣工期土石壩壩體的位移變形等值線圖?？梢灾溃┕み^程中在自重荷載作用下，土石壩壩體上、下游水平位移大致對稱分布，在壩體與地基交界處附近位移較大，然后在垂向上逐漸減小。上、下游最大水平位移分別為0.22、0.29m，發(fā)生在距壩軸線52、51m位置處。垂向位移要大于水平位移，由上至下逐漸減小，最大值為0.94m，發(fā)生在壩頂附近。心墻水平位移相對較小，垂向出現了明顯的沉降。

圖2為竣工期土石壩壩體的應力等值線圖。壩體心墻附近應力較大，然后向兩側壩坡逐漸減小，在垂向上從上至下應力逐漸增大，壩體最大應力出現在心墻與壩基交界面附近。隨著深度增加，地基承受的應力逐漸增大，最大應力出現在地基底部，均在材料的承受范圍。在此主要對壩體部分進行研究，具體數據詳見表2。

表2 竣工期壩體位移與應力最大值

3.2 蓄水運行期計算結果分析

圖3為蓄水運行期土石壩壩體的位移變形等值線圖?？梢钥闯觯\行期的位移分布與竣工期相似，上游位移要小于竣工期，下游位移大于竣工期。主要是運行期位移是在重力荷載和水壓力共同作用下產生的，在上游水壓力阻礙壩體變形，下游側位移是重力和水壓力產生變形在同一個方向，導致位移疊加。上、下游最大水平位移分別為0.13、0.34m，變化幅度分別為37%、15%，對應位置分別發(fā)生在距壩軸線52、45m處。垂向位移分布規(guī)律與竣工期類似，位移變化幅度比竣工期大，最大位移為0.86m，依然發(fā)生在壩頂附近。心墻水平位移增大到0.16m，垂向位移變化不大，均發(fā)生在心墻與基礎的交界面處。

圖4為蓄水運行期土石壩壩體的應力等值線圖。壩體應力分布規(guī)律與竣工期相似。壩體最大主應力和最小主應力均增大，增加幅度分別為13%、15%。這是因為承受在重力基礎上，還承受水壓力荷載的作用。心墻的應力相對出現減小，心墻主應力均減小，減少幅度為12%、6%。主要是因為心墻形變比較均勻，同時壩體承受了較大荷載。整體的應力在材料的允許范圍之內。具體數據詳見表3。

圖1 竣工期土石壩壩體變形位移等值線圖

圖2 竣工期土石壩壩體應力等值線圖

圖3 蓄水運行期土石壩壩體變形位移等值線圖

圖4 蓄水運行期土石壩壩體應力等值線圖

表3 蓄水運行期壩體位移與應力最大值

4 結語

(1)蓄水運行期與竣工期位移分布規(guī)律一致，水平方向壩體以心墻為分界分別向上下游變形。與竣工期相比蓄水運行期上游變形小、下游變形較大，變化幅度分別為37%、15%；垂向位移變小幅度為9%。心墻水平位移出現大幅增加，增加幅度為15倍；心墻垂向位移出現減小，減少幅度為24%。

(2)壩體主應力以心墻分界向上下游壩坡逐漸減小。蓄水運行期與竣工期相比壩體主應力均增大，增加幅度分別為13%、15%；心墻主應力均減小，減少幅度為12%、6%。

(3)在竣工期和蓄水運行期應力均在土料承受范圍內，在實際運行中要根據應力和位移分布規(guī)律來進行適當加固，保證樞紐的持久運行。