回龙场水库心墙堆石坝坝体应力应变计算及分析

张亚梅，刘鐔璞

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010）

土石坝对地形地质条件具有较好的适应性，可充分利用建筑物开挖料筑坝，能够就地取材，施工管理方便等优点，在水利工程中被广泛采用。渗流、坝坡稳定性分析及坝体应力应变分析的可靠程度对土石坝的安全性具有重要影响。基于此，本文对龙河流域回龙场狭窄河谷修建的黏土心墙堆石坝展开应力应变有限元分析。

1 工程概述

龙河流域回龙场水库工程总库容1816万m3，枢纽工程由挡水建筑物、泄水建筑物、引水（兼导流）建筑物以及坝后电站组成。拦河大坝为粘心墙堆石坝，最大坝高85 m，坝顶宽度10 m，最大坝底宽度335.29 m，坝顶长度172.00 m。上游坝坡坡比为1∶2.0，下游坝坡综合坡比为1∶2.2。上游坡在高程808.00 m处设2.0 m宽马道，上游面采用20 cm厚混凝土预制块护坡，上游坝脚结合全年挡水围堰布置，围堰顶高程781.90 m，围堰顶设置6 m宽马道，围堰上下游坡比均为1∶2.5。下游坝坡与进厂公路相结合，设纵坡9.73%的“之”字形马道，马道宽度4.5 m，下游坡面采用框格梁植草护坡，下游坝脚处设块石排水棱体。

2 有限元计算模型及参数

应力变形计算对坝体填料采用邓肯-张非线弹性模型[1]。

2.1 计算参数

坝体填筑材料采用邓肯-张 E-μ模型，粘土心墙参数采用邓肯-张E-B模型，坝体填筑材料的参数，见表1，粘土心墙参数，见表2。

表1 邓肯E-μ模型参数表

表2 粘土心墙参数表

2.2 单元划分及施工加载

（1）单元划分

本次采用坝体最大横断面计算，最大坝高为85 m，坝体和坝基的单元划分主要采用四边形单元及少量的三角形单元，共4146个单元，4155个结点。

图1 应力应变分析断面材料分区及网格划分图

（2）荷载简化及施工加载

用增量法来模拟施工中的逐级加荷过程。增量法的一个突出优点就是可以逐级地施加荷载。这不仅能反映出施工过程中各阶段的应力和变形情况，而且能体现结构本身随施工过程的变化，更好的体现材料的非线性，因而更符合实际。

计算时把荷载分成10级，其中坝体施工为8级，蓄水为第9级～10级，因上游块石填筑的渗透系数较大，而考虑把上游的水荷载直接作用到心墙上，上游按正常蓄水位830.0 m计算，不考虑下游尾水作用。筑坝材料按自重考虑。对施工期的计算拟定8级荷载由下向上依水平层次加荷到坝顶，每层填筑时间为60天。对蓄水期蓄水到800.0 m、830.0 m水位时分别历时30天。

3 计算结果及分析

对不同工况下坝体应力变形进行计算分析，坝体应力变形最大值，见表3。

表3 坝体应力变形最大值

3.1 水平位移

坝体水平位移表现为以心墙为界偏向两侧，竣工时，坝体向上游的最大水平位移为11.9 cm、向下游的最大水平位移为16.6 cm，发生在上下游坝体中部高程770 m～800 m处（约1/3坝高），大致呈对称分布。蓄水期随水位上升，坝体水平位移逐渐向下游发展，蓄水到830 m的水位后，坝体向下游最大水平位移增大至28.9 cm，向上游水平位移则减小至2.4 cm。

3.2 竖向位移

坝体在施工过程中的竖向位移均为下沉，并随填筑体的升高而增大。因下游坝体内部填有刚度相对较小的碾压石渣料，使得下游坝体的竖向位移略大于上游坝体。最大竖向位移值均出现在粘土心墙内高程810 m处，约2/3坝高附近。计算结果表明：心墙的竖向位移较堆石体大，竣工期最大沉降为57.7 cm；蓄水位800 m时，对应竖向位移为53.4 cm；蓄水位830 m时，对应竖向位移为47.7 cm。沉降率分别为0.068%、0.063%、0.056%。

3.3 坝体应力

由计算结果可以看出，应力等值线与坝坡趋于平行，从坝顶向下应力逐渐加大，同一高程处心墙部位的应力值明显低于相邻坝体，存在“拱效应”。因为心墙的模量低于坝壳料，同一高程处心墙的变形量比堆石体大，坝体与心墙之间存在变形不协调现象，导致坝体与心墙应力重分布。心墙的部分自重应力会转移到两侧坝体，引起心墙的竖向应力低于其自重应力，而心墙两侧坝壳的竖向应力高于其自重应力，出现“拱效应”，但并不显著[2]。

完建期心墙上游侧和下游侧坝体应力的分布基本相同；蓄水期由于水压力作用，坝体应力发生重分布，随着水位升高，上游坝壳的大、小主应力都逐渐降低，下游坝壳的应力略有增大。坝壳应力最大区产生于靠近心墙底两侧的反滤料中，竣工期大、小主应力极值分别为1.36 MPa和0.57 MPa；蓄水至水位830 m时，最大、最小主应力极值分别为1.60 MPa和0.85 MPa。

3.4 应力水平

大坝坝体应力水平等值线分布图，见图2。

图2 大坝应力水平图（单位:kPa）

通过计算结果看出，大坝完建时坝体应力水平不高，绝大部分都小于0.8。在蓄水过程中，随着水位升高，心墙与坝壳的应力水平S有所增加，坝体中出现高应力水平的区域主要在坝体与心墙上游接触面附近，其范围较大，应力水平的数值较高，但均小于1。

造成该区域较高应力水平的原因有两个：①心墙和坝体的模量差别较大，造成在该区域发生较大的不均匀沉降，较大的错切变形导致该处剪应力较大；②在坝体蓄水压力的作用下，心墙向下游移动造成该区域的最小主应力大幅下降。

完建期、蓄水期工况下的应力水平极值分别为0.71、0.90，心墙及坝壳料大部分区域应力状态良好，故蓄水期及运行期坝体是稳定的。

4 结语

坝体应力应变分析的主要目的是:①确定坝体在蓄水期和施工结束时，可能产生拉应力区、剪切破坏区及裂缝区；②根据坝体应力和变形的计算结果分析坝坡稳定性；③为心墙提供设计依据；④根据计算的坝体铅直向最大位移确定预留沉降值。通过对中型水库进行坝体有限元应力应变分析计算，对大坝设计以及大坝运行期的稳定安全具有重要的意义。