行车荷载对水库大坝坝顶路面影响有限元分析

张 通

(辽宁省农村水利建设管理局，辽宁 沈阳 110003)

坝顶路面作为小型水库重要组成部分，一方面为日常交通及检查维修提供便利；另一方面在出现险情时可以保障抢险队伍、抢险机械及时达到险情坝段，确保水库安全运行[1]。随着水库服役年限的增加，坝顶路面受到自然老化、风力侵蚀、温度荷载、波浪淘刷及行车荷载等因素的作用，不同程度地会发生裂缝、破碎、隆起、沉陷及车辙等损坏，造成道路整体性、平整度和抗滑性能下降，道路服务能力下降，影响道路行车安全[2- 3]。小型水库除险加固中，存在坝顶路面返修或重建的除险加固项目占比非常大。以辽宁省为例，2017、2018年涉及除险加固任务水库分别为14、18座，其中存在坝顶道路返修病险项目的水库分别为9、15座，分别占64.3%和83.3%。导致坝顶路面破坏的因素较多，大致可分为环境因素和交通因素，其中：交通因素包括行人荷载和行车荷载。考虑到水库日常运行时，坝顶路面行人通过量较小，行人荷载对路面结构变形影响不大，几乎可以忽略；而行车荷载其随荷载大小变化对道路内部结构产生较大影响，尤其当荷载超过路面材料极限应力或累计变形量超过极限变形时，则会导致路面发生裂缝、车辙等破坏，影响坝顶路面行车安全[4- 5]。基于此，本文以辽宁省朝阳市龙城区水泉沟水库除险加固项目为例，采用三维有限元法，对水库大坝坝顶路面在静荷载及移动荷载情况下的结构应力进行深入分析，探讨行车荷载对路面结构的影响，以指导坝顶路面除险加固工程甚至新建工程设计优化实践。

1 水库概况

水泉沟水库是20世纪70年代初建成的小Ⅱ型水库，位于朝阳市七道泉子镇境内水泉沟河上，设计洪水位234m，校核洪水位235.7m，校核重现期20年一遇，控制流域面积4.7km2，工程主要任务以防汛为主兼顾下游农田灌溉。2018年对水泉沟水库进行除险加固，主要任务为：拆除大坝迎水侧干砌石护坡，设置干砌石护脚；对背水坡整形，采用碎石护坡进行防护，新建排水体；新建坝顶泥结石道路等。坝顶道路的损毁和频繁维修不仅会影响水库正常运行和防汛安全。同时还会耗费大量资金和人力物力，降低水库运行经济效益。因此，在坝顶路面除险加固时合理探讨坝顶路面破坏机制，为工程实践提供指导具有重要现实意义。

2 计算参数及分析条件

水泉沟水库坝顶长185m，宽10m，泥结土路面面层30cm，垫层20cm。其中，新建坝顶道路采用泥结路面，层厚30cm；基层采用原石灰土道路，层20cm；路基为土基。坝顶道路结构层特性参数见表1。

表1 坝顶泥结石道路结构层参数表

坝顶道路在竖直方向的尺寸远小于其在水平方向的尺寸，考虑水库坝顶道路日常应用以行车荷载为主[6- 8]，采用有限元对坝顶路面结构层进行荷载应力分析时，将其简化为包含泥结石路面面层和石灰土垫层的双层立体结构，考虑路面结构简单，确定分析条件为：

(1)结构层均由线弹性材料组成，各项参数均为常数，在各个方向上的特性相同。

(2)结构层尺寸在水平方向上为无限连续，但在竖直方向上为有限。

(3)结构层间为完全连续接触，发生位移时，位移在各结构层及层间完全连续。

3 道路结构应力有限元分析

3.1 有限元模型构建

沿水平方向构建截面为正方形的三层立方体结构，并采用Solid45单元对其进行网格划分。沿坝轴线指向溢洪道方向设定为x方向，取长度200cm；垂直坝轴线指向下游方向设定为y方向，取长度200cm；路面纵深反向设定为z方向，泥结石面层、石灰土垫层、原有坝体土基层自上而下依次取长度30cm、20cm和115cm，基层底面及各个侧面均施加固定约束。水泉沟水库坝顶道路结构模型及网格划分，如图1—2所示。

图1 泥结石道路结构模型图

图2 泥结石路面网格划分图

3.2 道路结构层静态应力分析

按照《泥结碎石路面技术要求及验收规范》，泥结碎石路面以骨料、粘土作为填充料，经反复压实后形成的多层叠加结构[9]，进行静态应力分析时，按照单轴双轮组标准施加荷载，即：轴载BZZ-100，轴载P轴=100kN，轮载P轮=25kN，轮胎内压p=0.7MPa。单侧的双轮为单圆荷载，轮胎与路面接触近似为20cm正方形。由于行车荷载对坝顶道路沿x方向两侧对称，为简化分析仅对单侧受力进行分析。最不利工况下为：单侧行车荷载作用于板x方向边缘中部。经模拟分析，计算得路面沿x方向应力云图和沿z向位移云图，如图3—4所示。

图4 z方向位移云图

由图3—4可知，在静荷载作用下荷载下方泥结石路面面层与石灰土垫层接触处的拉应力最大值为0.326MPa；最大压应力和最大位移均发生在路面荷载作用点附近，分别为0.431MPa和0.139cm。分析成果表明：路面面层在受荷载作用时，面层表面以变形破坏为主，而面层底部以拉裂破坏为主。因此，坝顶道路泥结碎石路面在施工时，应严格控制施工条件和特性指标，确保面层结构的变形和抗拉性能满足规范要求，确保工程质量。

3.3 道路结构层动态应力分析

水库坝顶路面除承受静荷载作用外，还承担移动荷载作用。与静荷载相比，移动荷载更为常见，对道路结构的影响及持续时间也更长。为更加全面对水库坝顶道路受力情况进行全面分析，在移动荷载条件下对道路结构应力响应进行深入分析。按图1和图2模型建模，其中:x方向长度取400cm并划分为20个单元，其余参数同静荷载模型。

在坝顶路面实际行驶中，常见行驶速度为30～40kM/h，动态应力分析时，选取V=30km/h，以1m为研究单元，选取0.12s，0.24s，0.36s和0.48s共4个时间点，对道路结构的x方向应力与z方向位移进行模拟，分析结果如图5—6所示。

由图5和图6可知，随着移动荷载向x方向移

图5 30km/h车速下道路结构x方向应力云图

图6 30km/h车速下道路结构z方向位移云图

动，相应荷载和位移均沿自上而下方向在不同结构层间传递，动力响应具有明显波动性质[10]。不同时间点泥结石路面结构内最大拉应力分别为0.043、0.04、0.064、0.068MPa，均出现在面板底部与垫层接触处，小于静荷载作用下的0.326MPa；不同时间点z向位移分别为0.008、0.015、0.021、0.024cm，均小于静荷载作用下的z向位移。因此，总体来讲，移动荷载对泥结石路面结构的拉应力、压应力和位移的影响较静荷载小。在施工中应注意对施工条件的控制，提高面层及层间接触面变形和抗拉性能，减少或防止推挤、拥包等病险除险。

4 结 论

根据水泉沟水库除险加固新建坝顶泥结石道路，在静荷载和移动荷载条件下的路面有限元应力分析，对比不同部位、不同结构层与层间和不同时间点条件下，面层拉应力、最大压应力和位移出现的位置、变化趋势，得到以下结论：

(1)泥结石道路在受到行车荷载作用时，结构变形最大值发生在面层与行驶车辆接触处，拉应力最大值发生在泥结石面层底部与垫层接触处。

(2)移动荷载作用下，道路结构内产生的应力和位移均小于静荷载。

(3)建议在施工中应注意对施工条件的控制，确保面层结构满足变形及抗拉强度的要求。同时，实践工程中可在路面面层与垫层间设置土工膜等应力消减层，改善路面结构应力分布，增强延缓和抑制反射裂缝产生。