瀝青混凝土心墻壩穩定性有限元分析研究

范穎驊

(浙江省寧波弘正工程咨詢有限公司，浙江 寧波 315000)

1 緒 論

隨著我國水利工程的不斷建設，各種壩型施工技術得到快速發展。但近年來因地形多樣、地質條件復雜等因素，混凝土壩發展受到限制。在復雜壩址條件下的土石壩急劇增多，其中防滲體選用心墻的土石壩得以快速發展，已經成為壩工設計的一個新方向。眾所周知，我國多地區多雨高寒、缺少黏土、地震頻發等，在這種水文地質條件下宜設計為瀝青混凝土心墻土石壩，主要特點表現為瀝青混凝土作為防滲體，防滲性能良好、抵抗沖擊力強、施工速度快、塑性性能好、耐久性和裂縫自愈能力突出，尤其在多雨濕潤及嚴寒地區能夠快速施工。因瀝青混凝土心墻防滲結構擁有眾多優點，和施工技術的大力推廣，在壩工界已成為土石壩筑壩技術的新亮點[1]。

2 有限元模擬原理

2.1 施工過程模擬

瀝青混凝土心墻壩壩體與心墻是分層碾壓，荷載施加為逐層加載的過程，同步碾壓時心墻體和堆石體的施工加荷即自重如圖1。

圖1 土石壩逐級加荷施工

在高土石壩模擬施工時中采用逐級加荷，至少分8—10級。有限元計算采用增量法，可使每一層壩體應力應變和實際相符，施工時大壩結構的變化，充分體現材料非線性特性。

2.2 蓄水過程模擬

隨著庫水位上升水壓力增高，荷載施加至少分3-4級。因上游堆石料的透水性，蓄水期水壓力通過壩殼料直接作用于瀝青混凝土心墻。水壓力在每層壩面的荷載施加如圖2所示。

圖2 逐級施加水荷載示意圖

3 工程實例

3.1 工程概況

某水電站位于四川省境內，主要以發電為主，兼顧生態灌溉、旅游等綜合效益。水庫正常蓄水位2325.00m，死水位2305.00m，壩頂高程2329.20m，壩頂長215.36m，壩頂寬12.0m，總庫容1.4億m3。樞紐建筑物主要包括溢洪道、瀝青混凝土心墻壩、廠房及左岸輸水系統等。

3.2 幾何模型

ADINA軟件在建模時遵循從“點到線，線到面，面到體”原則，模型中X軸是壩軸線方向，指向左岸為正；Y軸是水流方向，指向下游為正；Z軸是壩高方向，垂直向上為正。大壩模型共劃分53395個節點，36479個單元。大壩有限元模型和心墻剖面網格如圖3和4所示。

圖3 土石壩三維有限元模型

圖4 心墻剖面網格剖分圖

3.3 計算參數

大壩瀝青混凝土心墻、堆石區，過渡區及基巖覆蓋層采用鄧肯-張E-B模型參數，壩體底部基巖定義為線彈性材料，各材料的參數情況見表1。

表1 大壩材料計算參數表

3.4 計算工況

根據大壩施工、蓄水不同時段，計算分為兩種工況：

1)竣工期：荷載為壩體自重。

2)蓄水期：荷載為大壩自重和上游水壓力。

壩體上游面按7級施加水荷載，實現蓄水全過程荷載施加。大壩竣工期和蓄水期模擬共分22級完成[2-3]。

4 計算結果

壩體靜力計算結果規定如下：壓應力為負，拉應力為正，水平位移順水流方向為正，豎直方向向上為正，壩軸線方向指向右岸為正。

4.1 竣工期、蓄水期計算成果

竣工期在筑壩材料的自重作用下，大壩產生豎直位移和水平位移，其應力應變結果見圖5-圖8所示，因文章篇幅受限，文章只展示竣工期大壩位移應變計算結果。

瀝青混凝土心墻壩在竣工期、蓄水期時的靜力計算結果見表2。

圖5 竣工期壩體豎直位移等值線圖

圖6 竣工期壩體水平位移等值線圖

圖7 竣工期壩體大主應力等值線圖

圖8 竣工期壩體小主應力等值線圖

表2 壩體不同工況靜力計算結果表

由圖可知，竣工期壩體最大沉降為67.35cm，約在壩體中部偏上游位置。水平位移成對稱分布，壩體向上、下游的位移分別為5.62cm，5.64cm，都處于壩體中部約2/5壩高位置。壩體大主應力最大值為2.75MPa，在心墻基座與壩體接觸位置，呈規律性變化，無拉應力。壩體小主應力最大值為-0.52MPa，出現在1/5壩高中部靠近心墻處[4]。

蓄水期壩體最大沉降是62.36cm，因受水壓力作用，壩體整體向下移動，壩體上、下游部分位移為4.36、12.24cm，壩體大、小主應力最值為-3.58MPa和-0.92MPa，發生位置基本和竣工期一致。

4.2 心墻的特征對比值

不同工況的瀝青混凝土心墻壩施工過程的心墻中心剖面位移應力最大值見表3。

表3 瀝青混凝土心墻竣工期、蓄水期計算結果

5 結 論

基于有限元分析和鄧肯—張E-B模型原理，結合工程實際，運用ADINA軟件建立數值模型，分級進行荷載施加分析竣工期和蓄水期下的瀝青混凝土心墻壩的三維靜力分析，得出大壩最大斷面和瀝青混凝土心墻最大斷面的應力應變的影響和大壩安全性分析。由計算結果可知，該瀝青混凝土心墻壩和高邊坡是安全穩定的。