胡小虎

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

砂礫石覆蓋層一般結(jié)構(gòu)較松散，具有一定的可壓縮性，容易產(chǎn)生較大的沉降變形。對(duì)深厚覆蓋層上修建大壩的研究，越來(lái)越受到工程界的重視[1～2]。

新疆托帕水庫(kù)工程壩址處覆蓋層深110 m，深度在國(guó)內(nèi)較為罕見(jiàn)。本文通過(guò)對(duì)位于深厚覆蓋層上的新疆托帕水庫(kù)工程瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行二維有限元計(jì)算，分析壩體的應(yīng)力、變形規(guī)律，為壩體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

托帕水庫(kù)工程位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃轂跚】h境內(nèi)，工程任務(wù)為灌溉和防洪。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，由瀝青混凝土心墻壩、溢洪洞、泄洪沖沙洞和灌溉放水洞組成。

瀝青混凝土心墻壩壩頂高程2397.50 m，壩頂寬度為8.0 m；最大壩高61.5 m，大壩長(zhǎng)431.42 m。上游圍堰與壩體結(jié)合，圍堰頂高程2354.50 m，大壩上下游范圍為310 m（包括上游圍堰）。上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡布設(shè)3級(jí)“之”字型上壩公路，路面寬度為8.0 m，下游壩坡之字路間為1∶2.0，最大斷面下游綜合坡度約為1∶2.26，壩體分為上游壩體圍堰砂礫料區(qū)、上游砂礫料區(qū)，上游過(guò)渡料區(qū)，瀝青混凝土心墻，下游過(guò)渡料區(qū)，下游砂礫料區(qū)。心墻布置型式采用直心墻，為碾壓式瀝青混凝土，心墻寬度為0.5 m～0.7 m。過(guò)渡層，位于瀝青混凝土心墻兩側(cè)，過(guò)渡料頂高程2395.5 m，靠近心墻側(cè)，最大粒徑80 mm，水平寬度為2.0 m，等寬布置。

碾壓瀝青混凝土心墻為垂直式，心墻軸線距壩軸線上游2.5 m。心墻頂高程2395.5 m，最低墻底高程2336.00 m。心墻頂寬0.5 m，采用沿高程漸變?cè)O(shè)計(jì)，心墻最低高程2338.40 m處墻厚0.7 m。心墻與混凝土基座連接處放大，放大高度2.4 m，底寬2.0 m。

本工程瀝青混凝土心墻防滲體河床部位建在110 m深的砂礫石覆蓋層上，下部采用混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理，防滲墻最大深度110.6 m。防滲墻混凝土指標(biāo)為C30W10，厚度1 m。心墻與河床以及岸坡基礎(chǔ)的連接均設(shè)置混凝土基座。河床部位的混凝土基座長(zhǎng)321.5 m，寬3.0 m，厚2 m[3]。 壩體典型剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 大壩典型剖面圖（尺寸單位：mm）

2 計(jì)算模型

2.1 模型簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)對(duì)瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行有限元分析時(shí)，常用鄧肯-張模型、南水雙曲線模型、D-P模型和清華的K-G模型等，其中鄧肯-張模型應(yīng)用的最為廣泛。鄧肯-張模型曲線呈雙曲線，能較好地反映應(yīng)力硬化型應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用該模型計(jì)算時(shí)，既符合碾壓式瀝青混凝土的力學(xué)特性，又便于計(jì)算分析和成果比較[4]。以下是鄧肯-張E-μ模型的切線模量表達(dá)式為[5]：

其中破壞偏應(yīng)力（σ1-σ3）f符合摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，有：

Ei為初始切線模量，表達(dá)式為：

式中：Pa為大氣壓，取0.1MPa；φ為內(nèi)摩擦角；C為黏聚力；n為模量指數(shù)；K為切線模量系數(shù)；Rf為破壞比。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算所用壩體各部分材料的鄧肯-張模型參數(shù)可通過(guò)三軸試驗(yàn)得到，計(jì)算參數(shù)根據(jù)《新疆托帕水庫(kù)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中地質(zhì)篇章選取，見(jiàn)表1。

將式（2）、式（3）代入式（1）得：

表1 計(jì)算參數(shù)表

2.3 幾何建模

根據(jù)大壩進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，并對(duì)大壩施工順序進(jìn)行模擬。在模擬時(shí)，先進(jìn)行防滲墻施工，再進(jìn)行圍堰施工，最后進(jìn)行壩體填筑。其中壩體分為15層填筑。

圖2 模型整體網(wǎng)格圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 壩體應(yīng)力應(yīng)變

在竣工期，壩體上游最大位移為0.15 m，指向上游方向；下游最大水平位移為0.15 m，指向下游方向。壩體豎向垂直位移為1.23 m，位于壩體底部，約占?jí)胃吆透采w層深度的0.71%。壩體的第一、第三主應(yīng)力均出現(xiàn)在壩體底部，第一主應(yīng)力為1.10 MPa，第三主應(yīng)力為0.50 MPa。

在滿蓄期，因水壓力的作用，壩體向下游移動(dòng)，下游最大水平位移為0.41 m。壩體豎向垂直位移為1.29 m，位于壩體底部，約占?jí)胃叩?.75%。壩體的第一、第三主應(yīng)力均出現(xiàn)在壩體底部，第一主應(yīng)力為1.21 MPa，第三主應(yīng)力為0.77 MPa。

3.2 心墻應(yīng)力應(yīng)變

在竣工期，心墻的最大水平位移為0.008 m，最大豎直位移為0.45 m。第一主應(yīng)力為1.23 MPa，第三主應(yīng)力為0.94 MPa。

在正常運(yùn)行期，心墻的最大水平位移為0.32 m，最大豎直位移為0.45 m。第一主應(yīng)力為1.49 MPa，第三主應(yīng)力為1.18 MPa。最大應(yīng)力水平在心墻底部，為0.19 MPa。

3.3 防滲墻應(yīng)力

竣工期：防滲墻第一主應(yīng)力為2.16 MPa，第三主應(yīng)力為17.8 MPa；

正常運(yùn)行期期：防滲墻第一主應(yīng)力為2.00 MPa，第三主應(yīng)力為16.4 MPa。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果表

圖3 竣工期壩體水平位移(m)

圖4 正常運(yùn)行期壩體水平位移(m)

圖5 竣工期壩體沉降位移(m)

圖6 正常運(yùn)行期壩體沉降位移(m)

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)建于深厚覆蓋層的托帕水庫(kù)大壩進(jìn)行二維有限元計(jì)算，結(jié)果表明：計(jì)算得出的大壩變形符合基本規(guī)律，因深厚覆蓋層的存在，最大沉降位置發(fā)生在大壩下部，沉降量約為壩高及覆蓋層深度的0.75%。瀝青混凝土心墻大小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力水平值為0.7，小于1，表明大壩及心墻在竣工期與蓄水期均不會(huì)發(fā)生破壞。防滲墻應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)。

本次計(jì)算結(jié)果合理，應(yīng)力、位移數(shù)值、分布規(guī)律均符合國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。工程已于2018年開(kāi)工建設(shè)。