深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝二维有限元分析

胡小虎

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

砂砾石覆盖层一般结构较松散，具有一定的可压缩性，容易产生较大的沉降变形。对深厚覆盖层上修建大坝的研究，越来越受到工程界的重视[1～2]。

新疆托帕水库工程坝址处覆盖层深110 m，深度在国内较为罕见。本文通过对位于深厚覆盖层上的新疆托帕水库工程沥青混凝土心墙坝进行二维有限元计算，分析坝体的应力、变形规律，为坝体设计提供依据。

1 工程概况

托帕水库工程位于新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜自治州乌恰县境内，工程任务为灌溉和防洪。工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，由沥青混凝土心墙坝、溢洪洞、泄洪冲沙洞和灌溉放水洞组成。

沥青混凝土心墙坝坝顶高程2397.50 m，坝顶宽度为8.0 m；最大坝高61.5 m，大坝长431.42 m。上游围堰与坝体结合，围堰顶高程2354.50 m，大坝上下游范围为310 m（包括上游围堰）。上游坝坡为1∶2.5，下游坝坡布设3级“之”字型上坝公路，路面宽度为8.0 m，下游坝坡之字路间为1∶2.0，最大断面下游综合坡度约为1∶2.26，坝体分为上游坝体围堰砂砾料区、上游砂砾料区，上游过渡料区，沥青混凝土心墙，下游过渡料区，下游砂砾料区。心墙布置型式采用直心墙，为碾压式沥青混凝土，心墙宽度为0.5 m～0.7 m。过渡层，位于沥青混凝土心墙两侧，过渡料顶高程2395.5 m，靠近心墙侧，最大粒径80 mm，水平宽度为2.0 m，等宽布置。

碾压沥青混凝土心墙为垂直式，心墙轴线距坝轴线上游2.5 m。心墙顶高程2395.5 m，最低墙底高程2336.00 m。心墙顶宽0.5 m，采用沿高程渐变设计，心墙最低高程2338.40 m处墙厚0.7 m。心墙与混凝土基座连接处放大，放大高度2.4 m，底宽2.0 m。

本工程沥青混凝土心墙防渗体河床部位建在110 m深的砂砾石覆盖层上，下部采用混凝土防渗墙进行防渗处理，防渗墙最大深度110.6 m。防渗墙混凝土指标为C30W10，厚度1 m。心墙与河床以及岸坡基础的连接均设置混凝土基座。河床部位的混凝土基座长321.5 m，宽3.0 m，厚2 m[3]。 坝体典型剖面图见图1。

图1 大坝典型剖面图（尺寸单位：mm）

2 计算模型

2.1 模型简介

目前国内对沥青混凝土心墙坝进行有限元分析时，常用邓肯-张模型、南水双曲线模型、D-P模型和清华的K-G模型等，其中邓肯-张模型应用的最为广泛。邓肯-张模型曲线呈双曲线，能较好地反映应力硬化型应力应变曲线，采用该模型计算时，既符合碾压式沥青混凝土的力学特性，又便于计算分析和成果比较[4]。以下是邓肯-张E-μ模型的切线模量表达式为[5]：

其中破坏偏应力（σ1-σ3）f符合摩尔-库伦强度准则，有：

Ei为初始切线模量，表达式为：

式中：Pa为大气压，取0.1MPa；φ为内摩擦角；C为黏聚力；n为模量指数；K为切线模量系数；Rf为破坏比。

2.2 计算参数选取

计算所用坝体各部分材料的邓肯-张模型参数可通过三轴试验得到，计算参数根据《新疆托帕水库工程初步设计报告》中地质篇章选取，见表1。

将式（2）、式（3）代入式（1）得：

表1 计算参数表

2.3 几何建模

根据大坝进行模型网格划分，并对大坝施工顺序进行模拟。在模拟时，先进行防渗墙施工，再进行围堰施工，最后进行坝体填筑。其中坝体分为15层填筑。

图2 模型整体网格图

3 计算结果与分析

3.1 坝体应力应变

在竣工期，坝体上游最大位移为0.15 m，指向上游方向；下游最大水平位移为0.15 m，指向下游方向。坝体竖向垂直位移为1.23 m，位于坝体底部，约占坝高和覆盖层深度的0.71%。坝体的第一、第三主应力均出现在坝体底部，第一主应力为1.10 MPa，第三主应力为0.50 MPa。

在满蓄期，因水压力的作用，坝体向下游移动，下游最大水平位移为0.41 m。坝体竖向垂直位移为1.29 m，位于坝体底部，约占坝高的0.75%。坝体的第一、第三主应力均出现在坝体底部，第一主应力为1.21 MPa，第三主应力为0.77 MPa。

3.2 心墙应力应变

在竣工期，心墙的最大水平位移为0.008 m，最大竖直位移为0.45 m。第一主应力为1.23 MPa，第三主应力为0.94 MPa。

在正常运行期，心墙的最大水平位移为0.32 m，最大竖直位移为0.45 m。第一主应力为1.49 MPa，第三主应力为1.18 MPa。最大应力水平在心墙底部，为0.19 MPa。

3.3 防渗墙应力

竣工期：防渗墙第一主应力为2.16 MPa，第三主应力为17.8 MPa；

正常运行期期：防渗墙第一主应力为2.00 MPa，第三主应力为16.4 MPa。

计算结果见表2。

表2 计算结果表

图3 竣工期坝体水平位移(m)

图4 正常运行期坝体水平位移(m)

图5 竣工期坝体沉降位移(m)

图6 正常运行期坝体沉降位移(m)

4 结语

对建于深厚覆盖层的托帕水库大坝进行二维有限元计算，结果表明：计算得出的大坝变形符合基本规律，因深厚覆盖层的存在，最大沉降位置发生在大坝下部，沉降量约为坝高及覆盖层深度的0.75%。沥青混凝土心墙大小主应力均为压应力，最大应力水平值为0.7，小于1，表明大坝及心墙在竣工期与蓄水期均不会发生破坏。防渗墙应力在允许范围之内。

本次计算结果合理，应力、位移数值、分布规律均符合国内外工程建设经验。工程已于2018年开工建设。