土质心墙堆石坝应力与变形研究

土质心墙堆石坝应力与变形研究

韦道恒

韦道恒

中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司广西南宁530007

【摘要】对于土质心墙堆石坝，影响大坝安全的关键因素是心墙拱效应和心墙开裂问题。对坝体的应力变形进行正确的预测分析，有助于工程建设的顺利实施，有利于提高工程的经济效益。本文将针对某工程土质心墙堆石坝施工期和运行期受力变形的情况，分析土质心墙堆石坝的应力与变形。

【关键词】土质心墙；堆石坝；应力；变形

近年来，我国对土石料湿化变形的研究取得了一定的成效，但总体来看缺乏在坝体应力和变形的分析上的应用。对于处于运行期的水库而言，由于坝体的受力条件复杂，且土石料浸水后物理力学特性的改变，使其应力和变形很难模拟，而蓄水期大坝的应力与变形分析对大坝的安全性评价是十分必要的，所以必须通过有效的研究对大坝蓄水期的应力与变形进行分析，确保工程的安全运行。

一、计算方法

（一）计算模型

本文采用按比奥固结理论编制的有效应力法三维有限元程序对大坝应力与变形进行计算，使用DuncanE-B模型作为土体本构模型，对于堆石料的浸水变形将会使用湿化模型进行计算。

（二）计算方案

本文将设计三个方案，分别进行计算分析。方案一中会采用填筑干密度较低的心墙，对于坝料的流变和上游坝壳浸水变形的问题将不予考虑。方案二与方案一大体相同，只是会考虑坝料的流变和上游坝壳浸水变形的问题。方案三中将以设计值作为心墙填筑干密度，对于坝料的流变和上游坝壳浸水变形的问题也会考虑。通过方案一和方案二的比较分析，可以得到大坝的应力变形与填筑干密度变化的关系，探讨在较高含水量时填筑心墙的可能性，同时还能对大坝的流变特性进行分析。

二、土料参数

表1

目标大坝的最大坝高为128m，坝顶轴线长440m，坝顶宽度8.0m，上游坝坡1：2.0，下游坝坡1：1.9。大坝为砂砾石坝壳粘土心墙坝，心墙顶宽2.5m，上下游填筑坡比均为1：0.25。坝体填筑料主要是砂卵石、含砾土和粉质粘土等。三维计算时，沿纵剖面共切取25个横剖面，生成空间单元3444个，结点总数为3589个。其数据资料如下表所示，表一中的参数为DuncanE-B模型计算中涉及到的参数。其中表一为计算参数，表二为方案二和方案三计算中用到的坝料的流变参数以及上游坝壳料的浸水变形参数。

三、计算结果分析

（一）方案一的计算结果分析

竣工期：心墙中坝体沉降的最大值出现在三分之一坝高左右位置，数值为190.8cm。心墙受到的上、下游坝壳的挤压而变形的具体数值分别为26.1cm和23.6cm，心墙的供作用较为明显，但并未产生拉应力。由于坝壳发生向心墙移动的情况，所以在坝壳近坝坡面上出现应力水平较高的区域，位置在坝高一半的高度。蓄水期：蓄水过程中，大坝的沉降较竣工期有明显增加，最大的沉降为196.4cm。心墙受到水的作用力，向下游水平移动的距离明显许多，其中心墙上游面最大的水平位移值为52.6cm，而下游面的水平位移距离较竣工期有所减少，为14.1cm。与竣工期比较，蓄水期上游坝壳和心墙中的最大主应力稍有减小，而小主应力的下降幅度较大，主要是因为蓄水后水的浮力对坝壳的影响增大，心墙在其作用下在侧向上发生了变形。在上游坝壳中部出现一个应力水平较高的区域，应力的最高水平为0.9MPa。此时，心墙中孔隙水压力尚未达到稳定状态。

计算还对水库的运行情况进行了模拟，根据计算结果可以得出的结论是：心墙中的孔隙水压力将会在水库运行六年后趋于稳定。根据大坝在运行期内孔隙水压力在最大剖面内的分布，心墙中的孔隙水压力将会比蓄水期的高出一些。而坝体沉降会随着心墙中孔隙水压力的逐渐升高而减小，心墙中的有效应力也会随之减小。

（二）方案二的计算结果分析

考虑流变的情况下，通过计算得出的竣工期坝体沉降值和水平位移都会高于方案一中的值，其中坝体的最大沉降值在计算中的结果为219.1cm，对于心墙受到坝体的压力而产生的变形，上游侧为33.6cm，下游侧为29.4cm。蓄水期的坝体最大沉降为230.6cm，将竣工期有所增加，对于心墙上游受坝体挤压而产生的水平位移较竣工期有所增加，为58.5cm，心墙下游的水平位移则有所减少，为19.1cm。根据对计算结果的分析，流变将会导致坝体的沉降在水库进入运行期后达到255.2cm的最大值。根据蓄水期的最大、最小主应力在最大剖，剖面内的分布，坝体压力会因为坝料的流变和坝壳浸水变形而有所增加，心墙的拱效应则会减弱。

另外，根据计算结果分析，大坝心墙在水库进入运行期后不会出现拉应力区域和塑性区，但会在大坝左岸的陡坡处会出现应力水平局部较高的情况。对方案一和方案二的计算结果进行分析，会发现当心墙的填筑密度较低是，心墙会因为收缩量较大而出现一定程度的拱效应，但没有拉应力区在心墙中出现，水力劈裂的情况就不会出现。对于大坝左岸陡坡出现较高的局部水平应力情况，应该采取相应的措施。而对于蓄水期的上游坝壳中出现局部地区应力水平较高的情况，其对水库的安全性影响不大，所以可以不做考虑。

（三）方案三的计算结果分析

竣工期，大坝的最大沉降为194.9cm，心墙上游面的位移为27.4cm，下游面的最大位移为24.3cm。蓄水期的坝体最大沉降为204.4cm，心墙上游面的水平位移较竣工期有所增加，为48.1cm，下游面较竣工期有所减少，为16.9cm。通过对计算结果的分析，坝体的位移会在水库运行后出现223.8cm的最大值。

通过对方案二和方案三的计算结果进行比较，可以发现大坝的沉降会因为心墙填筑干密度的增加而明显减少，心墙的拱效应也有一定程度的减小。但对于左岸的陡坡的施工质量问题要引起重视，避免出现局部应力水平较高的情况。

四、总结

通过文中的数据分析可以得出的结论是：当心墙的填筑密度较低时，坝体会产生较大的沉降，心墙的变形和拱效应也比较明显，上游坝壳中最小主应力会在进入蓄水期后降低并出现应力水平较高的区域，但没有拉应力区在心墙中出现。

参考文献：

[1]丁东彦.复合土工膜心墙堆石坝应力变形分析[D].兰州交通大学，2014.

[2]常双梅.深覆盖层面板堆石坝应力应变分析[D].兰州交通大学，2014.