寨子河沥青混凝土心墙堆石坝渗流及应力应变分析

2014-10-21叶发文张建海赵元弘

水力发电 2014年2期

叶发文，高阳，张建海，赵元弘

（1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065；2.四川大学水利水电学院，四川成都 610065；3.四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都 610072）

1 工程概况

寨子河水库位于四川省万源市太平镇杜家坝村和茶垭乡磙子坪村境内，水库位于后河左岸一级支流寨子河中游。坝址以上控制集水面积20.3 km2，多年平均来水量1827万m3，是一座以城市供水和灌溉为主，兼顾乡村人畜供水的中型水利工程。水库总库容1175万m3，兴利库容953万m3，多年平均城市供水量780万m3，设计灌溉面积 0.13万hm2。水库枢纽由拦河大坝、泄洪隧洞、放空隧洞、取水隧洞等建筑物组成。拦河大坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程880.00 m，坝顶宽10.0 m，坝顶轴线长227 m，最大坝高93.0 m，最大坝底宽约342.6 m。大坝上游边坡1∶1.7；下游坝坡马道宽7.0 m，平均坡度1∶1.6，局部坡度1∶1.25。坝顶上游侧设C20混凝土防浪墙，墙顶高程881.20 m。心墙与坝壳之间设过渡层，上、下游侧水平厚度均为3.0 m。心墙底部设宽8.0 m、厚1.0 m的C20混凝土基座作为帷幕灌浆和固结灌浆的盖板。大坝上、下游均采用灰岩堆石料碾压填筑。基础防渗采用帷幕灌浆，沿坝轴线共布置3排防渗帷幕，排距3.0 m，孔距2.0 m，帷幕深度按伸入岩体透水率q≤3 Lu以下5.0 m控制。为解决坝肩绕坝渗漏问题，将防渗帷幕自两坝肩沿坝轴线分别向左、右坝肩水平延长100.0、120.0 m。最大帷幕灌浆深87.8 m，平均帷幕灌浆深47.3 m。

目前碾压式沥青混凝土心墙堆石坝已建成约120多座，该坝型具有防渗性可靠、抗震性强、适应坝体和基础变形能力强等优点，并且坝体结构简单，对骨料要求不高，工程造价较低，受气候等条件影响较小，尤其适用于寒冷地区，因此沥青混凝土心墙坝在北方地区得到广泛地应用[1-2]。坝体结构设计是工程的关键，对大坝进行应力变形分析，可以了解沥青混凝土心墙的受力特点和安全稳定状态；对大坝进行渗流分析，可以了解混凝土心墙的抗渗特性[3]。故本文对寨子河碾压式沥青混凝土心墙堆石坝进行三维有限元分析，模拟建设期及蓄水过程的不同工况，研究分析大坝的多个剖面变形与应力特征以及心墙的应力及应变，得到不同水位对坝体的渗流及混凝土的不同配比对坝体及心墙的应力应变影响情况。

2 计算模型

本文渗流分析基于质量守恒及达西定律的稳定渗流[4]。由于坝体材料（心墙料、反滤料、过滤料、堆石料）及坝基覆盖层的应力应变曲线具有明显的非线性特征[5]，故采用邓肯-张（Duncan-Chang）弹性非线性模型的E-μ模型[6]进行计算。在不同材料分界面之间设置接触面单元用以模拟面板之间的相对错动，计算时采用Goodman接触面模型。在模拟每层填筑或分级加载时采用 “中点增量法”。蓄水过程模拟中，在心墙上游面施加水压力，覆盖层以及自由面以下堆石施加向上渗透力，混凝土基座施加扬压力。本文采用四川大学水电学院多年扩充完善的三维非线性有限元分析程序NASGEWIN（计算机软件著作权登记号:2009SR027603）进行建模计算，该程序已在十多个重大土石坝工程项目研究中取得了良好的应用效果。

3 研究方案

3.1 建立三维有限元模型

寨子河三维有限元计算的范围为:沿寨子河坝轴线上、下游分别取206.00、214.00 m，即顺河向x方向截取420.00 m；横河向z方向由桩号0-200.00取至桩号0+420.00，横河向总长620.00 m，共切取纵剖面37个。铅直向y由658.00 m高程取至地表自由面。三维有限元网格共计剖分13797个节点和13417个单元。

3.2 计算工况及计算参数

（1）计算工况。对寨子河大坝进行渗流及坝体应力变位的计算分析，共7种工况。其中，渗流计算工况S1～S4（见表1）主要研究沥青心墙渗透系数相同的情况下，不同水位坝体及坝基渗流场及渗流量的影响；坝体应力应变分析主要计算竣工期和正常蓄水位下的4种工况（见表2），采用2种不同心墙沥青混凝土配合比材料分析坝体应力应变特征。

表1 寨子河沥青混凝土心墙堆石坝渗流计算工况

表2 寨子河沥青混凝土心墙堆石坝应力应变计算工况

（2）计算参数。计算时采用的寨子河碾压式沥青混凝土心墙堆石坝材料物理力学参数和岩体物理力学参数见表3、4。

表3 寨子河大坝材料物理力学建议参数（E-μ模型）

表4 寨子河大坝岩体物理力学参数

4 计算成果及分析

4.1 渗流分析

根据数值计算结果可以得到工况S1～S4坝体及坝基渗透场的分布特性:①坝体心墙和帷幕渗流量见表5，由表5可知，工况S1通过心墙的渗流量为4.2098×10-5m3/s，占总渗透流量的0.50%；由于帷幕阻断了坝基主要渗透路径，工况S1通过帷幕的流量为3.5913×10-3m3/s，占总渗透流量的 42.95%；工况S1总渗流量为8.362×10-3m3/s，仅占多年平均流量的1.443%，故沥青混凝土心墙和帷幕防渗效果良好。②工况S2、S3、S4的渗流规律与工况S1基本一致。③工况S1～S4在混凝土心墙的上游至下游的比降分别为 63.104、63.775、63.318及 37.534，均小于允许比降100。④图1为剖面0+140渗压分布情况，由图1可知，工况S1和工况S4明显不同，工况S1的渗压明显大于工况S4，主要是由坝体上游水位的差异所导致。

4.2 坝体变位及应力分析

计算竣工期和正常蓄水位下各剖面局部区域顺河向位移Ux及竖向位移Uy，同时得到各剖面局部区域最大与最小主应力分布情况，据此分析各剖面的特征节点在各工况下的位移与应力。图2为典型剖面0+140处的材料分区及特征节点位置。

表5 寨子河大坝坝体心墙和帷幕的渗流量 10-3m3/s

图1 剖面0+140渗压等值线示意

图2 寨子河大坝剖面0+140的材料分区及特征节点位置示意

4.2.1 坝体变位分析

图3和表6为剖面0+140在4种工况下特征节点的位移情况:①4种工况的各横剖面沉降和河床坝段顺河向水平变位分布规律基本相同（见图3）。即最大沉降量一般出现在坝体中心线附近，且随坝高增加而增加；以上区域一般向上游变位，坝轴线以下区域则向下游变形。②坝体变位受沥青心墙配合比的影响十分微弱。对比工况Ⅰ和Ⅱ，坝最大剖面的最大沉降均出现在坝体中部835.00 m高程处，分别为-28.877、-28.594 cm，而工况Ⅳ的最大沉降为-28.698 cm，仅增加了约0.18 cm，差异微小；对比工况Ⅱ和Ⅳ，下游堆石节点8060向下游变位分别为13.88、13.94 cm，由于9号配合比沥青混凝土更为软弱，故变形略微增大，但总体差异不大。

图3 剖面0+140处各工况下沥青混凝土心墙位移随高程变化示意

表6 剖面0+140处的特征节点位移

4.2.2 坝体应力分析

表7和图4总结了剖面0+140处835.00 m高程在各种工况下特征节点的应力情况，由此可知:①各横剖面大主应力σ1分布规律一致，上下游堆石浅部σ1接近自重应力，量值随埋深增大而增大；各横剖面小主应力σ3分布规律同σ1类似，量值随埋深增大而增大；河床横剖面σ3未出现拉应力。②由于基础地形转折，心墙上游面小主应力σ3的分布存在局部应力波动和应力集中现象；同样由于右岸地形陡峭，致使沥青混凝土心墙在右岸坝顶附近出现小范围的拉应力区（见图5）。③正常蓄水位与竣工期的坝体空间主应力分布相似，且工况Ⅱ与工况Ⅳ应力差异微小。④正常蓄水期心墙应力水平较低，约为0.3～0.4 MPa，上下游堆石应力水平在0.7 MPa以下，安全余度较大；3号和9号配合比心墙应力水平无明显差别，坝体正常运行时应力水平处于正常范围（见图 6）。