西域礫巖砂礫料瀝青混凝土心墻壩濕化變形數(shù)值分析

鄒德高，楊小龍，劉京茂，孔憲京1，，周 揚(yáng)

（1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

目前，土石壩在水庫初次蓄水時(shí)引起的濕化變形仍是大壩設(shè)計(jì)需要解決的一個(gè)難題.工程實(shí)踐表明，濕化變形會(huì)引起壩體發(fā)生較大的變形并且在壩頂及壩坡引起縱向或水平裂縫，甚至引起潰壩［1－4］.Nobari和Duncan［5］首先采用雙線法 測定濕化變形，并采用Duncan和Chang［6］的雙曲線模型來分析大壩濕化變形.此后Escuder等［7］提出一種改進(jìn)的雙曲線濕化模型并成功用于100m高大壩的計(jì)算.Roosta等［8］通過引入應(yīng)力釋放因子來模擬濕化變形，結(jié)果與三軸試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.國內(nèi)的左元明和沈珠江［9］通過單線法濕化試驗(yàn)提出了濕化模型.陳慧遠(yuǎn)等［10］、張蕓 蕓等［11］均采用鄧肯－張EB 模型來分析瀝青心墻壩的濕化變形，董建筑等［12］、陸陽洋等［13］和董龍根等［14］則采用鄧肯－張模型和沈珠江濕化模型對土質(zhì)直心墻和斜心墻的蓄水濕化進(jìn)行數(shù)值分析.李全明等［15］引入了考慮小主應(yīng)力的雙曲線關(guān)系來反映濕化體變的規(guī)律，聯(lián)合雙屈服面模型對公伯峽面板堆石壩進(jìn)行了濕化分析.王富強(qiáng)等［16］進(jìn)一步修正了濕化模型，并對積石峽面板堆石壩的濕化變形進(jìn)行了分析.張偉等［17］對積石峽面板堆石壩在施工中減小濕化變形的工程措施進(jìn)行了研究.岑威鈞等［18］采用考慮濕化效應(yīng)的堆石料Gudehus－Bauer亞塑性模型對心墻壩進(jìn)行數(shù)值分析.目前，已有文獻(xiàn)中采用堆石料彈塑性本構(gòu)模型來分析大壩濕化變形的研究并不多見.

我國新疆地區(qū)廣泛使用當(dāng)?shù)氐奈饔虻[巖砂礫料作為筑壩料.西域礫巖是一種第四紀(jì)Q1 時(shí)代的新近沉積巖［19］，泥沙質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)或半膠結(jié)，抗外界變形能力差，遇水易軟化、崩解，失水后易干縮開裂.此外，新疆地區(qū)常年干旱少雨，西域礫巖砂礫料作為筑壩材料在水庫初次蓄水時(shí)的濕化變形分析就顯得尤為重要.本文聯(lián)合廣義塑性模型［20］和西域礫巖砂礫料濕化模型對某瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行濕化變形分析，研究濕化變形對大壩應(yīng)力和變形的影響.

1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.1 堆石料本構(gòu)模型

目前關(guān)于濕化變形的數(shù)值計(jì)算主要采用鄧肯－張EB模型分析，然而土石壩在蓄水時(shí)堆石料的應(yīng)力路徑復(fù)雜，張宗亮等［21］指出鄧肯－張EB 模型不能很好地反映堆石料的剪脹、剪縮特性以及復(fù)雜應(yīng)力路徑下的加卸載過程.因此，本文采用理論上更為合理的廣義塑性模型［20］來進(jìn)行濕化變形分析，西域礫巖砂礫料風(fēng)干樣和飽和樣的靜力三軸試驗(yàn)及廣義塑性模型的數(shù)值模擬結(jié)果如圖1和2所示.

圖1 廣義塑性模型模擬風(fēng)干樣試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Prediction of the generalized plastic model for the results of dry samples

圖2 廣義塑性模型模擬飽和樣試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Prediction of the generalized plastic model for the results of saturated samples

西域礫巖砂礫料的廣義塑性模型參數(shù)見表1和2.由于瀝青混凝土心墻對大壩變形影響很小，其模型仍采用了鄧肯－張EB模型，參數(shù)見表3.

1.2 濕化模型

作者對西域礫巖砂礫料開展了濕化試驗(yàn)，結(jié)果表明：濕化體應(yīng)變與平均主應(yīng)力和應(yīng)力水平有密切關(guān)系，而濕化剪應(yīng)變主要受應(yīng)力水平的影響.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出如下濕化模型：

式中：Δεv為濕化體應(yīng)變；σ0為平 均主應(yīng) 力；pa為工程大氣壓（pa＝100kPa）；Sl為飽和樣對應(yīng)的應(yīng)力水平；ΔSl為應(yīng)力水平與臨界應(yīng)力水平的差值；Slc為試樣發(fā)生濕脹時(shí)的臨界應(yīng)力水平；a1、b1為反映濕化體應(yīng)變的參數(shù)；Δγs為濕化剪應(yīng)變；a2、b2為反映濕化剪應(yīng)變的參數(shù).

表1 風(fēng)干樣廣義塑性模型參數(shù)（ρd＝2.18g／cm3）Tab.1 Parameters of the generalized plastic model for the dry samples（ρd＝2.18g／cm3）

表2 飽和樣廣義塑性模型參數(shù)（ρd＝2.18g／cm3）Tab.2 Parameters of the generalized plastic model for the saturated samples（ρd＝2.18g／cm3）

表3 瀝青混凝土鄧肯－張EB模型參數(shù)（ρd＝2.41g／cm3）Tab.3 Parameters of the Duncan－Chang EB model for the asphalt concrete（ρd＝2.41g／cm3）

該模型對西域礫巖砂礫料及兩種花崗巖堆石料［22－23］的濕化試驗(yàn)結(jié)果的模擬情況見圖3，可以看出作者建議的濕化模型能很好地模擬不同材料的濕化變形特性，且西域礫巖砂礫料的濕化變形明顯大于其他兩種堆石料.3種筑壩材料的濕化模型參數(shù)見表4.

圖3 不同筑壩材料的濕化模型模擬結(jié)果Fig.3 Wetting model prediction results with different dam materials

表4 濕化模型參數(shù)Tab.4 Parameters of the wetting model

2 壩體濕化變形分析

對新疆某地區(qū)的西域礫巖砂礫料瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行施工和蓄水模擬，填筑和滿蓄時(shí)分別為54步和38步.蓄水過程中分別采用西域礫巖砂礫料濕化參數(shù)和魏松［22］花崗巖堆石料濕化參數(shù)計(jì)算，壩體最大橫剖面如圖4所示.

圖4 大壩最大橫剖面示意圖Fig.4 Sketch map of the maximum cross section of the dam

濕化變形在數(shù)值中的實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）壩體填筑過程中采用風(fēng)干樣的廣義塑性模型參數(shù)和瀝青混凝土的鄧肯－張EB 模型參數(shù)模擬大壩變形，并得到蓄水前狀態(tài)；

（2）蓄水后，根據(jù)濕化模型計(jì)算上游側(cè)水位以下砂礫料的濕化變形（水位以下砂礫料認(rèn)為飽和度為100%），按初應(yīng)變法考慮濕化引起的應(yīng)變勢，根據(jù)本構(gòu)模型計(jì)算單元的等價(jià)節(jié)點(diǎn)力，進(jìn)行迭代計(jì)算；

（3）水位增加，重復(fù)（2），直到滿蓄.

2.1 壩體位移分析

竣工時(shí)位移分布如圖5所示.壩體水平位移很小（僅1.5cm 左右）且大致對稱；豎向沉降最大位移發(fā)生在中軸線的1／2壩高附近，最大值為17 cm 左右，占最大壩高的0.17%.心墻的水平位移也很小，豎向沉降沿壩高大致呈拋物線分布，如圖6所示.這與Naylor等［24］對Beliche壩和陳慧遠(yuǎn)等［10］對碧流河瀝青混凝土心墻壩的分析相吻合.

圖5 竣工時(shí)壩體位移（單位：cm）Fig.5 Displacements of the dam when construction is completed（unit：cm）

圖6 心墻的位移Fig.6 Displacements of the core

滿蓄時(shí)，上游側(cè)西域礫巖砂礫料產(chǎn)生濕陷，使得壩體向上游方向水平位移和豎向沉降明顯增加，分別達(dá)到22cm 和55cm 左右，最大沉陷發(fā)生在心墻上游側(cè)2／3壩高處，占最大壩高的0.53%，是竣工沉降的3.2倍，如圖7所示.心墻上游側(cè)西域礫巖砂礫料的濕陷引起心墻向上游側(cè)水平位移和豎向沉降也較大，如圖6所示.西域礫巖砂礫料和花崗巖堆石料的濕化變形規(guī)律大致相同，但西域礫巖砂礫料在蓄水時(shí)的濕化變形明顯大于花崗巖堆石料，豎向沉降達(dá)到花崗巖堆石料的近3倍.

圖7 滿蓄時(shí)壩體位移（單位：cm）Fig.7 Displacements of the dam at normal water level（unit：cm）

蓄水后，上游西域礫巖砂礫料的濕化引起心墻的水平和豎向沉降的變形規(guī)律（如圖6所示）與Infiernillo壩［4］和Beliche壩［25］蓄 水 后 的 位 移 分布規(guī)律基本一致，即填筑時(shí)心墻沉降沿高度方向大致呈拋物線分布，蓄水后心墻頂部沉降逐漸增大，最大沉降位置在心墻偏中上部位，同時(shí)向上游的水平位移增大，如圖8和9所示.這表明聯(lián)合廣義塑性模型與反映西域礫巖砂礫料濕化特性的模型能較好地分析大壩的濕化變形.

圖8 Infiernillo壩實(shí)測的蓄水期心墻位移Fig.8 Measured displacements of the core of Infiernillo dam during reservoir filling

2.2 壩體應(yīng)力分析

竣工時(shí)壩體的主應(yīng)力分布見圖10（a）和圖11（a），大小主應(yīng)力分布基本與壩坡平行.心墻處應(yīng)力小于兩側(cè)筑壩料，表明存在一定的拱效應(yīng)作用.

滿蓄時(shí)壩體主應(yīng)力分布見圖10（b）和圖11（b），上游側(cè)的主應(yīng)力都有所減小.特別要注意的是西域礫巖砂礫料填筑蓄水后，上游側(cè)壩頂附近出現(xiàn)了小范圍拉應(yīng)力區(qū)，這主要因?yàn)槲饔虻[巖砂礫料濕化變形較大導(dǎo)致了大壩頂部不均勻變形，有可能在壩頂出現(xiàn)裂縫，這與Ataturk壩［3］和密云水庫走馬莊Ⅱ號(hào)［2］等工程一致.當(dāng)采用花崗巖堆石料參數(shù)時(shí)，蓄水濕化變形較小，則沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力.

圖9 Beliche壩實(shí)測的施工期和蓄水期心墻位移Fig.9 Measured displacements of the core of Beliche dam during construction and reservoir filling

圖10 壩體大主應(yīng)力分布（單位：MPa）Fig.10 Major principal stress distribution of the dam（unit：MPa）

圖11 壩體小主應(yīng)力分布（單位：MPa）Fig.11 Minor principal stress distribution of the dam（unit：MPa）

心墻竣工和滿蓄時(shí)的應(yīng)力分布如圖12所示.蓄水后導(dǎo)致心墻中下部的應(yīng)力增大.西域礫巖砂礫料產(chǎn)生較大的濕陷導(dǎo)致心墻底部的附加應(yīng)力比花崗巖堆石料大.

圖12 心墻應(yīng)力分布Fig.12 Stress distribution of the core

3 結(jié) 論

（1）聯(lián)合廣義塑性模型和濕化模型能較好地模擬心墻壩的濕化變形及應(yīng)力分布規(guī)律.

（2）上游筑壩料蓄水濕化會(huì)導(dǎo)致壩體向上游方向水平位移和豎向沉降都明顯增大，西域礫巖砂礫料濕化導(dǎo)致最大豎向沉降由竣工時(shí)的0.17%壩高增大至0.53%壩高，而最大水平位移則由竣工時(shí)的1.5cm 增大至22cm.上游筑壩料濕陷致使心墻的水平位移和豎向沉降也變大，并且西域礫巖砂礫料的濕化豎向沉降為花崗巖堆石料的近3倍.

（3）蓄水濕化后壩體上游側(cè)主應(yīng)力明顯減小，西域礫巖砂礫料較大的濕化變形導(dǎo)致上游側(cè)壩頂附近出現(xiàn)0.1 MPa左右的拉應(yīng)力區(qū)，有可能引起壩頂裂縫.

（4）采用西域礫巖砂礫料作為筑壩材料時(shí)，應(yīng)密切注意壩體在蓄水過程中的濕化變形.

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