尼雅水庫壩體分區研究

王相峰

（1.新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

尼雅水庫是尼雅河上控制性工程，是以灌溉、防洪為主，兼顧發電的綜合性水利樞紐工程。工程等別為中型Ⅲ等。工程由攔河壩、表孔溢洪道、導流泄洪沖沙洞、發電引水系統及電站廠房等建筑物組成。水庫總庫容4069萬m3，正常蓄水位2663 m，死水位2615 m，電站總裝機6MW。大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程2672.8 m，最大壩高131.8 m。壩頂寬度10 m，上游壩坡 1∶2，下游壩坡 1∶1.8。

由于工程位于山區河段，河道內砂礫料儲量不能滿足壩體填筑要求，需要爆破山體采集石料用于壩體填筑（爆破山體采集的石料，后文中稱堆石料）。通過對兩種填筑料進行實驗，發現兩種填筑料的物理力學性質存在一定差異，為探究這種差異會對壩體工作性能造成多大影響，并合理布置兩種填筑料的填筑范圍，設計了四種方案對壩體進行有限元計算分析。

1 壩體分區方案設計

尼雅水庫壩體填筑分為砂礫料區、過渡料區、瀝青混凝土心墻、堆石料區，上游圍堰與壩體相結合布置，大壩瀝青混凝土防滲體采用垂直布置。大壩標準剖面如圖1所示。根據工程現場填壩材料的情況，提出了四個分區填筑設計方案，四個方案的瀝青混凝土心墻和心墻兩側的過渡料都不變，只是砂礫料和堆石料的填筑范圍不同。方案一：壩體內部用砂礫料，靠近壩面位置用堆石料，砂礫料和堆石料界線坡度1∶1，見圖2；方案二：上游壩體全用砂礫料，下游壩體全用堆石料，見圖3；方案三：上游壩體全用堆石料，下游壩體全用砂礫料，見圖4；方案四：壩體內部用砂礫料，靠近壩面位置用堆石料，砂礫料和堆石料界線坡度 1∶1.5，見圖 5。

圖1 大壩標準橫剖面圖

圖2 方案一 壩體分區及各分區材料

圖3 方案二 壩體分區及各分區材料

圖4 方案三.壩體分區及各分區材料

圖5 方案四.壩體分區及各分區材料

2 模型及材料參數的選用

2.1 筑壩材料本構模型

大量的研究表明心墻瀝青混凝土和砂礫石壩料的變形，不僅隨剪應力水平而變化，也與加載應力路徑密切相關[1]，應力應變關系表現出明顯的非線性特性，目前國內外均通過壩料的三軸試驗的剪應力與軸應變的關系來反映材料的非線性性質，比較多的選用鄧肯-張模型[2]。為安全起見，大多數瀝青混凝土心墻壩較為普遍的采用鄧肯-張的E～μ進行有限元分析，以切線變形模量Et和切線泊松比μt為計算參數，其中切線變形模量Et的表達式為：

切線變形模量Et的公式中共包括5個材料常數K、n、φ、c、Rf，式（1）將變形與壩料的強度統一到一起，充分放映了材料的本構關系。

鄧肯等人根據大量三軸試驗中軸應變ε1與側向應變-ε3之間也存在雙曲線關系，提出了切線泊松比的數學表達式：

μt為切向泊松比，它不是常量，而是應力的函數，由三個材料參數G、F、D來確定。

式（1）、式（2）就構成鄧肯-張的 E～μ 模型[3]，其 8個參數完全可以通過常規的三軸常規試驗來獲取。由于該模型及其參數具有明確的物理意義，易為工程技術人員所接受，而且現在已應用了多年，積累了較為豐富的運用經驗和資料，可以獲得基本滿意的土石壩應力應變分析結果，能夠反映出壩體的工作性狀[4]。

2.2 計算幾何模型

選用河床最大剖面作為計算剖面進行壩體單元劃分，大壩有限元網格采用四邊形單元和三角形單元。瀝青混凝土心墻單元最大幾何尺寸2.9 m，壩體單元最大幾何尺寸為14 m。圖6給出了方案一有限元網格剖分，大壩的有限元網格共有單元2567個（其中：壩殼1467個單元，過渡區328個單元，瀝青混凝土心墻164個單元），結點2694個。

計算分為竣工期和滿蓄期兩種工況。壩基砂礫石作為已存在部分（只具有初始應力）。加載過程：大壩壩填筑分為17級，蓄水分為4級。蓄水時上游水下部分施加浮托力，同時，水壓力以面力的形式作用在瀝青混凝土心墻上游面上[5]。

圖6 方案一網格圖

2.3 材料參數

利用三軸儀，對壩體各種材料，進行了三軸實驗，并對實驗數據進行分析后得到各種材料的鄧肯-張模型參數，見表1，同時從表中可以看出，相比于堆石料，砂礫料的K值要大一些，也就是說整體表現的偏硬一些，主要原因是河床的砂礫料經過雨水沖刷，力學性質偏軟的顆粒被分化或者攜帶至河道下游。

表1 各種材料參數

3 計算結果分析

將表1中的材料參數帶入四個設計方案，并進行有限元模擬計算后，提取出了每個方案的壩體的變形和應力應變的極值。

表2列出了方案一、二、三的變形和應力水平的極值，圖7和圖8給出了滿蓄期和竣工期心墻水平向位移沿壩高的分布。從表2中可以看出，無論是竣工期，還是滿蓄期，方案三的豎向位移是最大的。從圖7和圖8可以看出，方案一和方案二的心墻在竣工期的水平向位移都在心墻軸線附近，最大不超過5 cm，而方案三心墻在竣工期有明顯的向上游位移，最大達到了13.33 cm，滿蓄期在向下游水壓力的作用下，仍有少許的向上游偏移，主要原因是方案三上游壩料全是力學性質不太好的爆破堆石料。如果選用方案三，那么其上游壩坡存在失穩的可能性，特別是在壩前水位下降時，則存在更大的安全隱患，因此首先放棄方案三。在竣工期和滿蓄期，方案二的豎向位移極值都大于方案一，而且在滿蓄期方案二心墻的水平向位移竟然接近方案一的二倍，從圖8也可以看出在竣工期方案二的心墻就有向下游變形的趨勢，這也反映出如果下游全部用堆石料，對壩體的變形的影響也是不利的，同時從表2可以看到，在竣工期方案二壩體中某些部位的應力水平達到了0.99，安全儲備較低。因此，也放棄了方案二。

圖7 滿蓄期各個方案心墻水平位移沿壩高分布圖

圖8 竣工期各個方案心墻水平位移沿壩高分布圖

表2 方案一、二、三變形和應力極值對比表

基于對方案一、二、三的分析，我們更傾向于將方案一作為推薦方案。從經濟上和壩體工作性狀上考慮，壩體填筑時盡量多使用河床砂礫料是有利的。然而有受限于工程現場料場的情況，因此又設計了方案四進行對比分析。表3，給出了方案一和方案四計算結果的對比情況。可以看出，在竣工期和滿蓄期，方案一中壩殼和心墻位移極值，都稍小于方案二。兩個方案中大小主應力和應力水平都差別不大。因此最終將方案一作為推薦方案。

表3 方案一、四變形和應力極值對比表

4 結語

本文使用有限元方法，對尼雅水庫瀝青混凝土心墻壩的各個方案進行分析后，得到了以下結論：

（1）壩體材料填筑分區的不同，對大壩工作性態有很大的影響，如果材料分區不當，壩體的運行將存在一定的安全風險。

（2）將力學性能不好的材料完全填筑上游或者完全填筑下游，都對壩體穩定不利，壩體填料無論性能如何，盡量沿壩軸線上下游對稱布置。