壩料密度對壩體變形影響研究

孔祥彬，武俊麗

（黃河上游水電開發有限責任公司工程建設分公司，青海 西寧 810000）

混凝土面板堆石壩作為一種天然材料壩，以其就地取材、易于防滲的特點被廣泛應用于水利水電工程建設。積石峽水電站采用混凝土面板堆石壩方案，最大壩高103 m，設計填筑方量約296萬m3。

壩料的干密度是面板堆石壩施工的重要控制參數之一，對壩體的變形有較大影響[1]。本文針對積石峽水電站面板堆石壩的壩料，進行了室內大型三軸試驗，并采用數值模擬的方法，研究壩料的干密度對壩體應力變形的影響規律，以期為合理確定大壩壩料填筑碾壓參數提供依據。

1 干密度對壩料應力應變特性的影響

為了研究壩料的干密度對壩料應力應變特性的影響，針對壩料進行了大型三軸試驗。

1.1 試驗步驟

試驗針對大壩主堆石料的試樣進行，試樣直徑300 mm、高700 mm。

（1）稱樣。試驗時將風干后的壩料按試樣級配和干密度的要求稱取，分層裝入對開模內，并夯實至壩料不同分區所要求的干密度。

（2）固結。制樣完畢后施加周圍壓力進行固結，至試樣的體積變化穩定后，即完成固結過程。

1.2 試驗結果

分別對低密、中密和高密三種試樣密度進行試驗。試驗的圍壓分別為 0.1、0.3、0.6、1.0 1.5 MPa。低密、中密和高密三種試樣密度在試驗過程中測量的應力-應變關系基本相似，中密試樣試驗結果見圖1（圖中ε1為軸向應變，εv為體應變，σ1為大主應力，σ3為小主應力）。

圖1的試驗結果表明，隨著干密度的增加壩料的強度有所增加，低圍壓下的剪脹特性也更加明顯，這些規律與一般認識是一致的[2]。

圖1 中密試樣的大型三軸試驗結果

2 壩料干密度對壩體變形的影響

2.1 網格劃分

對積石峽面板堆石壩進行三維有限元計算，分析壩料采用不同干密度壩體的變形。

（1）根據積石峽面板堆石壩的設計剖面圖和地形劃分了三維有限元計算網格。在計算中模擬了壩體分層均勻上升的填筑過程和壩體施工結束后進行的面板施工。壩體竣工以后蓄水至設計水位。

（2）根據大型三軸試驗結果，確定了不同干密度條件下壩料的沈珠江雙屈服面模型參數[3]，見表1（表中φ0和Δφ為強度指標，Rf為破壞比，K為彈性模量數，n為彈性模量指數，Cd為最大剪縮體變，nd為體變增大的冪次，Rd為剪脹比）。

表1 主堆石沈珠江雙屈服面模型參數

從表1可以看出，材料的內摩擦角和模量均隨干密度的增加而有所增大。

2.2 計算結果

因高密度和低密度方案的變形分布規律與中密度計算方案類似，本文僅給出中密度方案竣工期和蓄水完成期標準橫斷面壩體變形的等值線圖（分別見圖 2、 3）。

從圖2、3可以看出壩體沉降出現在壩高大約2/3處；水平向變形分別向上下游擴展。

表2給出了三種方案計算所得到的壩體變形最大值。從表2可以看出，壩體沉降、順河向位移以及軸向位移均隨著干密度的增大而減小。這意味著增大壩料干密度可以減小壩體的變形。

3 結論

（1）三種不同干密度壩料的大型三軸試驗結果表明干密度對壩料的應力變形特性有一定影響，即隨著干密度的增加壩料的強度有所增加。

圖2 竣工期標準橫斷面位移等值線（單位：m）

圖3 蓄水完成期標準橫斷面位移等值線（單位：m）

表2 壩體變形最大值cm

（2）三維有限元計算結果表明壩體的沉降和變形隨著干密度的增大而減小。給出了壩體沉降隨壩料干密度變化規律。為合理確定積石峽水電站面板堆石壩的填筑碾壓施工參數提供了依據。

［1］DL/T 5129—2001 碾壓式土石壩施工規范［S］.

［2］黃文熙.土的工程性質［M］.北京：中國水利水電出版社，1983.

［3］沈珠江.土體應力應變分析的一種新模型［C］//中國土木工程學會編.第5屆土力學及基礎工程學會會議論文集.北京：建筑工程出版社，1990:101.