碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩有限元分析

孫宏磊

(新疆塔城地區水利水電勘察設計院，新疆 塔城 834700)

1 概 述

錫伯圖水庫工程為碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，總庫容為1 865×104m3。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[1](SL 252-2017)規定，該水庫工程屬Ⅲ等中型，土石壩最大壩高82.70 m，本工程壩高超過70 m，大壩級別提高一級為2級，永久性主要建筑物溢洪道、放空洞、放水洞級別為3級，次要建筑物和臨時建筑物級別均為4級(圍堰與大壩結合作為壩體的一部分級別與大壩一致為2級)。主要建筑物設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為1 000年一遇。主要建筑物消能防沖洪水標準為30年一遇。工程區地震動加速度值為0.16 g，地震反應譜特征周期為0.4 s，相當于地震基本烈度Ⅶ度，地震設防烈度采用Ⅶ度[2]。

通過非線性靜力有限元計算[3-4]，研究壩體、壩基與心墻的應力[5]與變形，討論蓄水后對壩體的影響。并對可能產生的問題提出有效解決措施，保障大壩安全。

2 計算方法

瀝青混凝土心墻采用鄧肯E-B模型[6]。

砂礫石過渡料、基礎墊層料和壩殼料等采用Mohr-Coulomb塑性本構模型[7]。

在混凝土基座、瀝青混凝土心墻與過渡料、覆蓋層等之間設置Goodman接觸面單元，接觸面的本構關系采用鄧肯和克拉夫提出的雙曲線模型?；捎镁€彈性材料。

3 大壩靜力有限元計算

3.1 壩體填筑和蓄水過程模擬

壩體填筑和蓄水有限元模擬的荷載步共分為16級，分層模擬大壩的施工過程。正常蓄水位1 249.50 m，竣工期為第16步。壩體填筑完成后進行穩態滲流分析，將滲流計算的結果提取后施加在壩體進行下一步的應力計算。土石壩典型斷面見圖1。

圖1 土石壩典型斷面圖

3.2 計算模型和材料參數

典型斷面有限元網格見圖2。心墻以及基座均采用四邊形單元，壩體采用四邊形及少量退化的三角形單元。在心墻和基座與過渡料交界面等位置設置4節點Goodman單元。

圖2 典型斷面的整體有限元模型

筑壩材料、覆蓋層地基土、泥皮、混凝土防滲墻與基座的靜力計算參數見表1-表4，防滲墻與基座采用的混凝土標號為C25。

表1 筑壩材料靜力計算參數(鄧肯-張)

表2 筑壩材料靜力計算參數(莫爾-庫侖)

表3 覆蓋層計算參數

表4 混凝土材料靜力計算參數

3.3 壩體靜力計算結果

3.3.1 壩體位移

典型斷面壩體與壩基的水平位移、豎向沉降等值線見圖3-圖6。從圖3-圖6中可以看出：

1) 竣工期，壩體在自重作用下，以心墻中心線分別向上下游變形，水平位移值較小，最大值分別為0.06和0.04 m；壩體豎向沉降以心墻為中心線基本上對稱分布，最大值為0.58 m。

2) 滿蓄期，由于水的浮托力作用，上游壩體有效應力降低，同時水荷載作用于心墻上，故壩體向上游變形區域和數值減小，最大值為0.01 m；向下游變形區域和數值增大，最大值為0.33 m；壩體沉降最大為0.58 m，較竣工期變化不大。

圖3 典型斷面壩體和壩基水平位移(竣工期)

圖4 典型斷面壩體和壩基豎向沉降(竣工期)

圖5 典型斷面壩體和壩基水平位移(滿蓄期)

圖6 典型斷面壩體和壩基豎向沉降(滿蓄期)

3.3.2 壩體應力

典型斷面壩體的應力等值線見圖7-圖10。從圖7-圖10中可以看出：

1) 竣工期，壩體大小主應力除瀝青心墻基座局部有應力集中外，整體應力值均較低，小主應力主要分布在瀝青心墻，為壓應力，最大值出現在心墻中下部，分布規律是從心墻附近向上下游方向逐漸減小，從壩坡向壩基逐漸增大。壩體大主應力等值線與壩坡平行。上下游壩體大小主應力最大值分別為2.45和12.4 MPa。

圖7 典型斷面壩體和壩基大主應力(竣工期)

圖8 典型斷面壩體和壩基小主應力(竣工期)

圖9 典型斷面壩體和壩基大主應力(滿蓄期)

圖10 典型斷面壩體和壩基小主應力(滿蓄期)

2) 滿蓄期，壩體大小主應力分布規律與竣工期基本一樣。上游壩體處的最大主應力明顯小于竣工期，下游壩體在側向推力作用下，主應力略有增加，大小主應力最大值分別為2.58和12.5 MPa。

3.3.3 心墻的位移及應力

壩體典型斷面的瀝青心墻水平向、豎向位移及應力分布見表5。

表5 心墻位移和應力計算值

從表5中可以看出：

1) 心墻水平位移：竣工期，心墻水平位移很小，最大值為2.8 cm(向下游)；滿蓄期，由于心墻上游面受水壓力作用，心墻水平位移明顯增大，其最大值為33.6 cm(向下游)，發生在心墻頂部。

2) 心墻豎向位移：竣工期，心墻豎向位移最大值為56.1 cm，位于壩高1/3處附近；滿蓄期，豎向位移最大值減小為56.5 cm，變化不大。

3) 心墻的應力：除心墻與混凝土基座接觸部位有集中應力之外，其余部位心墻的應力水平較低?？⒐て?，心墻最大壓應力為12.5 MPa，發生在心墻底部。滿蓄期，心墻最大壓應力為13.2 MPa，發生在心墻底部，沒有出現拉應力，豎向應力大于水壓力，不會發生水力劈裂或拉裂現象。

4) 壩體與壩基位移：竣工期，壩體以心墻為中心線分別向上下游變形，水平向上下游位移最大值分別為0.06和0.04 m；壩體豎向沉降以心墻為中心線基本上對稱分布，最大值為0.58 m。滿蓄期，壩體向上游變形區域和數值減小，最大值為0.01 m；向下游變形區域和數值增大，最大值為0.33 m；壩體沉降最大為0.58 m，較竣工期變化不大。

4 結論和建議

4.1 壩體與壩基位移

竣工期壩體最大水平位移為0.06 m(向上游變形)，豎向沉降最大值為0.58 m。滿續期壩體最大水平位移為0.33 m(向下游變形)，豎向沉降最大值為0.58 m。壩體位移分布與同類工程相似，符合土石壩體的變形規律。地基模量對大壩變形影響較大，可采取一定的工程措施提高壩基密實指標，減小壩基的沉降。

4.2 心墻應力

竣工期和滿蓄期的心墻最大壓應力分別為12.5和13.2 MPa，發生在心墻底部，心墻沒有出現拉應力，豎向應力大于水壓力，不會發生水力劈裂或拉裂現象。