張亞梅，劉鐔璞

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010）

土石壩對地形地質(zhì)條件具有較好的適應(yīng)性，可充分利用建筑物開挖料筑壩，能夠就地取材，施工管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程中被廣泛采用。滲流、壩坡穩(wěn)定性分析及壩體應(yīng)力應(yīng)變分析的可靠程度對土石壩的安全性具有重要影響?；诖耍疚膶埡恿饔蚧佚垐霆M窄河谷修建的黏土心墻堆石壩展開應(yīng)力應(yīng)變有限元分析。

1 工程概述

龍河流域回龍場水庫工程總庫容1816萬m3，樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、引水（兼導(dǎo)流）建筑物以及壩后電站組成。攔河大壩為粘心墻堆石壩，最大壩高85 m，壩頂寬度10 m，最大壩底寬度335.29 m，壩頂長度172.00 m。上游壩坡坡比為1∶2.0，下游壩坡綜合坡比為1∶2.2。上游坡在高程808.00 m處設(shè)2.0 m寬馬道，上游面采用20 cm厚混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，上游壩腳結(jié)合全年擋水圍堰布置，圍堰頂高程781.90 m，圍堰頂設(shè)置6 m寬馬道，圍堰上下游坡比均為1∶2.5。下游壩坡與進(jìn)廠公路相結(jié)合，設(shè)縱坡9.73%的“之”字形馬道，馬道寬度4.5 m，下游坡面采用框格梁植草護(hù)坡，下游壩腳處設(shè)塊石排水棱體。

2 有限元計算模型及參數(shù)

應(yīng)力變形計算對壩體填料采用鄧肯-張非線彈性模型[1]。

2.1 計算參數(shù)

壩體填筑材料采用鄧肯-張 E-μ模型，粘土心墻參數(shù)采用鄧肯-張E-B模型，壩體填筑材料的參數(shù)，見表1，粘土心墻參數(shù)，見表2。

表1 鄧肯E-μ模型參數(shù)表

表2 粘土心墻參數(shù)表

2.2 單元劃分及施工加載

（1）單元劃分

本次采用壩體最大橫斷面計算，最大壩高為85 m，壩體和壩基的單元劃分主要采用四邊形單元及少量的三角形單元，共4146個單元，4155個結(jié)點(diǎn)。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變分析斷面材料分區(qū)及網(wǎng)格劃分圖

（2）荷載簡化及施工加載

用增量法來模擬施工中的逐級加荷過程。增量法的一個突出優(yōu)點(diǎn)就是可以逐級地施加荷載。這不僅能反映出施工過程中各階段的應(yīng)力和變形情況，而且能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)本身隨施工過程的變化，更好的體現(xiàn)材料的非線性，因而更符合實際。

計算時把荷載分成10級，其中壩體施工為8級，蓄水為第9級～10級，因上游塊石填筑的滲透系數(shù)較大，而考慮把上游的水荷載直接作用到心墻上，上游按正常蓄水位830.0 m計算，不考慮下游尾水作用。筑壩材料按自重考慮。對施工期的計算擬定8級荷載由下向上依水平層次加荷到壩頂，每層填筑時間為60天。對蓄水期蓄水到800.0 m、830.0 m水位時分別歷時30天。

3 計算結(jié)果及分析

對不同工況下壩體應(yīng)力變形進(jìn)行計算分析，壩體應(yīng)力變形最大值，見表3。

表3 壩體應(yīng)力變形最大值

3.1 水平位移

壩體水平位移表現(xiàn)為以心墻為界偏向兩側(cè)，竣工時，壩體向上游的最大水平位移為11.9 cm、向下游的最大水平位移為16.6 cm，發(fā)生在上下游壩體中部高程770 m～800 m處（約1/3壩高），大致呈對稱分布。蓄水期隨水位上升，壩體水平位移逐漸向下游發(fā)展，蓄水到830 m的水位后，壩體向下游最大水平位移增大至28.9 cm，向上游水平位移則減小至2.4 cm。

3.2 豎向位移

壩體在施工過程中的豎向位移均為下沉，并隨填筑體的升高而增大。因下游壩體內(nèi)部填有剛度相對較小的碾壓石渣料，使得下游壩體的豎向位移略大于上游壩體。最大豎向位移值均出現(xiàn)在粘土心墻內(nèi)高程810 m處，約2/3壩高附近。計算結(jié)果表明：心墻的豎向位移較堆石體大，竣工期最大沉降為57.7 cm；蓄水位800 m時，對應(yīng)豎向位移為53.4 cm；蓄水位830 m時，對應(yīng)豎向位移為47.7 cm。沉降率分別為0.068%、0.063%、0.056%。

3.3 壩體應(yīng)力

由計算結(jié)果可以看出，應(yīng)力等值線與壩坡趨于平行，從壩頂向下應(yīng)力逐漸加大，同一高程處心墻部位的應(yīng)力值明顯低于相鄰壩體，存在“拱效應(yīng)”。因為心墻的模量低于壩殼料，同一高程處心墻的變形量比堆石體大，壩體與心墻之間存在變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，導(dǎo)致壩體與心墻應(yīng)力重分布。心墻的部分自重應(yīng)力會轉(zhuǎn)移到兩側(cè)壩體，引起心墻的豎向應(yīng)力低于其自重應(yīng)力，而心墻兩側(cè)壩殼的豎向應(yīng)力高于其自重應(yīng)力，出現(xiàn)“拱效應(yīng)”，但并不顯著[2]。

完建期心墻上游側(cè)和下游側(cè)壩體應(yīng)力的分布基本相同；蓄水期由于水壓力作用，壩體應(yīng)力發(fā)生重分布，隨著水位升高，上游壩殼的大、小主應(yīng)力都逐漸降低，下游壩殼的應(yīng)力略有增大。壩殼應(yīng)力最大區(qū)產(chǎn)生于靠近心墻底兩側(cè)的反濾料中，竣工期大、小主應(yīng)力極值分別為1.36 MPa和0.57 MPa；蓄水至水位830 m時，最大、最小主應(yīng)力極值分別為1.60 MPa和0.85 MPa。

3.4 應(yīng)力水平

大壩壩體應(yīng)力水平等值線分布圖，見圖2。

圖2 大壩應(yīng)力水平圖（單位:kPa）

通過計算結(jié)果看出，大壩完建時壩體應(yīng)力水平不高，絕大部分都小于0.8。在蓄水過程中，隨著水位升高，心墻與壩殼的應(yīng)力水平S有所增加，壩體中出現(xiàn)高應(yīng)力水平的區(qū)域主要在壩體與心墻上游接觸面附近，其范圍較大，應(yīng)力水平的數(shù)值較高，但均小于1。

造成該區(qū)域較高應(yīng)力水平的原因有兩個：①心墻和壩體的模量差別較大，造成在該區(qū)域發(fā)生較大的不均勻沉降，較大的錯切變形導(dǎo)致該處剪應(yīng)力較大；②在壩體蓄水壓力的作用下，心墻向下游移動造成該區(qū)域的最小主應(yīng)力大幅下降。

完建期、蓄水期工況下的應(yīng)力水平極值分別為0.71、0.90，心墻及壩殼料大部分區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)良好，故蓄水期及運(yùn)行期壩體是穩(wěn)定的。

4 結(jié)語

壩體應(yīng)力應(yīng)變分析的主要目的是:①確定壩體在蓄水期和施工結(jié)束時，可能產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)、剪切破壞區(qū)及裂縫區(qū)；②根據(jù)壩體應(yīng)力和變形的計算結(jié)果分析壩坡穩(wěn)定性；③為心墻提供設(shè)計依據(jù)；④根據(jù)計算的壩體鉛直向最大位移確定預(yù)留沉降值。通過對中型水庫進(jìn)行壩體有限元應(yīng)力應(yīng)變分析計算，對大壩設(shè)計以及大壩運(yùn)行期的穩(wěn)定安全具有重要的意義。