垫层材料对超贫胶结材料坝面板应变的影响

郭振胜，孙明权

（1.池州学院，安徽 池州 247000；2.华北水利水电学院，郑州 450008）

0 引 言

组成混凝土面板堆石坝的堆石体具有压缩性、剪胀剪缩性、流变特性，遇水也会发生不同程度的湿陷变形，为使堆石体与坝体上游的混凝土面板之间平稳过渡，避免面板出现应力集中，常在堆石区和面板之间设置垫层区[1]。考虑到超贫胶结材料坝与堆石坝的材料相似性，参照已建堆石坝的垫层材料参数，笔者在坝体和面板之间依次加上6种不同材料性质的垫层，并确定不同材料的邓肯—张双曲线模型参数。用Fortran Power Station 4.0再次开发超贫胶结材料坝非线性有限元程序，加入线弹性有限元分析程序，编制整体有限元程序，对不同垫层材料工况下的面板应变进行计算分析，得到不同工况下面板的位移分布和最值，深入探讨垫层材料对面板的影响以及填筑垫层区的必要性，并寻求超贫胶结材料坝的理想垫层材料。

1 参数的确定

1.1 垫层与面板的材料参数和尺寸

垫层区应选用质地新鲜、坚硬且具有较好耐久性的材料，可以是经过加工的开采石料或天然砂砾石料，也可由两者混合掺配而成。垫层料的级配多参照条件相近的工程选用，高坝垫层料应具有连续级配，最大粒径80～100mm，粒径＜5mm的颗粒含量宜选为30%～50%，粒径＜0.075mm的颗粒含量宜＜8%[2]。压实后应具有内部渗流稳定性、低压缩性、高抗剪强度和良好的施工特性。垫层区的水平宽度应根据坝高、地形、施工工艺等因素经过经济比较加以确定，采用汽车直接卸料、推土机平料等机械化施工时，不宜＜3m；当采用专门铺料措施时，宽度可适当减小。综合超贫胶结材料坝的施工和材料特性，类比面板坝的工程经验，本文采用等宽布置，水平宽度取4m。

基于上述原则要求，结合已建面板坝的垫层材料参数，确定采用邓肯—张的双曲线E～μ模型对垫层进行非线性有限元分析时所用参数γ、φ、C、Rf、k、n、G、F、D值。

面板构造形式参照水布垭工程实例，采用钢筋混凝土条块式面板铺设在超贫胶结材料坝的上游。根据我国DL／T 5016-1999《混凝土面板堆石坝设计规范》[3]要求，中低面板堆石坝可采用0.3～0.4 m厚的等厚面板，考虑到C50超贫胶结材料坝的最大可建坝高为43m，属于中低坝，初步选用0.4 m厚的等厚面板。面板宽度根据坝体变形、施工条件和工作环境，采用12～18m不等的宽度。面板长度根据最大坝高及施工分期情况，在不考虑地形影响情况下，均采用46.31m。材料参数参照白溪水库混凝土面板堆石坝[4]的面板参数选定，结果见表1。

表1 垫层与面板材料参数Table1 Material parameters of cushion and panel

1.2 坝体与地基的材料参数和尺寸

在垫层对面板应变影响的分析计算中，取胶凝材料用量为50kg／m3的超贫材料作为坝体填筑材料。计算参数主要根据超贫胶结材料三轴试验[5]和采用非线性分析方法研究超贫胶结材料坝的筑坝形式[6]的研究结果确定。

地基材料参数的确定，主要根据超贫胶结材料坝地基适应条件分析[7]的研究结果，C50的超贫胶结材料坝体适应的地基类型为中等坚硬的、完整性较差的、裂隙发育的弱风化次块状、镶嵌状岩体，中厚层状结构岩体。裂隙间距为50～30cm，岩体的稳定性受结构面控制。如风化的Ⅰ类岩、石灰岩、砂岩、砾岩以及均一性较差的熔结凝灰岩、集块岩等。坝体及地基材料参数见表2。

不同胶凝材料用量的超贫胶结材料对应有不同的稳定坡比，相应的坝体剖面形式也有所变化。在垫层对面板应变影响的分析计算中，坝体上下游坡比分别取1∶0.40和1∶0.70，坝高取定值43m，坝顶宽取5m，不作为变化因素考虑，计算范围为面板、垫层、坝体和地基，地基向坝体上下游侧及地基深度方向各取相应一倍坝高的范围。

表2 坝体及地基材料计算参数Table2 Calculation parameters of dam and foundation

2 整体有限元程序的实现

本文在超贫胶结材料坝非线性有限元程序实现[8]的基础上加入线弹性有限元分析程序，对面板及地基采用线弹性有限元进行计算，而坝体和垫层区仍采用以土石坝有限元程序分析为基础的调整后中点增量法计算。上述4部分结构作为整体，根据施工先后顺序逐级施加荷载，计算面板各单元的位移。在计算准备过程中，采用有限元前后处理软件ViziCAD的前处理模块Super-DrawⅡ建立模型，利用Decods模块译码形成最初的数据文件，采用EditPlus编写需要的数据文件。在计算成果的整理过程中，采用Surfer Version 7.02并结合Auto－CAD 2008，Excel 2010绘制图形。

本程序由1个主程序和20个子程序构成，既可采用四结点、四边形等参单元，也可采用三结点、三角形单元，还可同时采用这两种单元，因此可以较好地适应各种剖面形式，运用较为方便。

依照上述坝体剖面形式及材料参数，对面板、垫层、坝体和地基4部分进行整体有限元分析。建立计算模型，做如下简化：

1）计算荷载取自重＋上游静水压力，水位取与坝顶齐平；

2）计算过程中，坝基及面板不参与非线性迭代；

3）本计算着重研究不同垫层材料对面板应变的影响，整体有限元网格剖分时，对面板和垫层部分适当加密，数据整理、合理性分析及图形绘制时该部分也做重点研究。

3 计算结果及分析

根据表1所确定的黏土、沙砾石、碎石土等6种垫层材料，随着k值的不断增大，面板的竖向位移与不加垫层工况下的竖向位移比较见图1～图6。

由图1～图6可知：

1）对于加垫层与不加垫层两种情况来讲，面板的最大竖向位移均出现在接近20m坝高处，即处于1／2～1／3坝高之间，且两种情况下的面板的竖向位移随坝高的分布趋势基本相同。

2）随着k值的不断增大，对竖向位移分布的改善具有明显的规律性，即k值越大，对位移分布的改善效果越显著，竖向位移的最大值也逐渐减小。

3）当k＝155、340，即垫层材料为黏土、壤土卵（砾）石时，与不加垫层时的位移分布相比较，显得更为不均匀，无益于竖向位移分布的改善，且两者的最大竖向位移分别为0.023、0.019 m，均大于不加垫层时的位移值0.017m。

4）当k＝550、560、760、1050，即垫层材料为沙砾石、碎石土、卵（砾）石、新鲜灰岩碎石时，均对竖向位移的分布有所改善，且同一高程处的面板位移值有所降低，垫层材料为新鲜灰岩碎石时，面板位移分布改善效果最为显著，此时的位移最大值为0.014m，明显小于不加垫层时的位移最大值。

4 结 语

本文通过再次开发超贫胶结材料坝非线性有限元程序，实现了对不同垫层材料工况下面板竖向位移的计算分析，得到了垫层材料对面板的位移分布规律无显著影响、但对面板位移最值的改善效果显著，充分论证了填筑垫层区的可行性和必要性。在此基础上，结合工程实际，通过对6种垫层材料的比选，得到了新鲜灰岩碎石为胶凝材料用量50 kg／m3时超贫胶结材料坝的理想垫层材料，为进一步完善超贫胶结材料坝的研究体系和工程实用性提供理论支撑。

[1]李宗坤，赵通阳，滕彦磊.垫层料厚度对堆石坝面板应力位移的影响 [J].人民黄河，2010，32（11）：94-95.

[2]SL 228-98，混凝土面板堆石坝设计规范 [S].

[3]DL／T 5016-1999，混凝土面板堆石坝设计规范 [S].

[4]王柏乐.中国当代土石坝工程 [M].北京：中国水利水电出版社，2004：113-114.

[5]孙明权，彭成山，李永乐，等.超贫胶结材料三轴试验 [J].水利水电科技进展，2007，27（4）：46-49.

[6]杨世锋.采用非线性分析方法研究超贫胶结材料坝的筑坝形式 [D].郑州：华北水利水电学院，2007：23-25.

[7]刘桂玲.超贫胶结材料坝对地基的适应条件及其钢筋混凝土面板的研究 [D].郑州：华北水利水电学院，2008：37-40.

[8]孙明权，彭成山，陈建华，等.超贫胶结材料坝非线性分析 [J].水利水电科技进展，2007，27（4）：42-45.