碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝有限元分析

孙宏磊

(新疆塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700)

1 概 述

锡伯图水库工程为碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝，总库容为1 865×104m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》[1](SL 252-2017)规定，该水库工程属Ⅲ等中型，土石坝最大坝高82.70 m，本工程坝高超过70 m，大坝级别提高一级为2级，永久性主要建筑物溢洪道、放空洞、放水洞级别为3级，次要建筑物和临时建筑物级别均为4级(围堰与大坝结合作为坝体的一部分级别与大坝一致为2级)。主要建筑物设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇。主要建筑物消能防冲洪水标准为30年一遇。工程区地震动加速度值为0.16 g，地震反应谱特征周期为0.4 s，相当于地震基本烈度Ⅶ度，地震设防烈度采用Ⅶ度[2]。

通过非线性静力有限元计算[3-4]，研究坝体、坝基与心墙的应力[5]与变形，讨论蓄水后对坝体的影响。并对可能产生的问题提出有效解决措施，保障大坝安全。

2 计算方法

沥青混凝土心墙采用邓肯E-B模型[6]。

砂砾石过渡料、基础垫层料和坝壳料等采用Mohr-Coulomb塑性本构模型[7]。

在混凝土基座、沥青混凝土心墙与过渡料、覆盖层等之间设置Goodman接触面单元，接触面的本构关系采用邓肯和克拉夫提出的双曲线模型。基座采用线弹性材料。

3 大坝静力有限元计算

3.1 坝体填筑和蓄水过程模拟

坝体填筑和蓄水有限元模拟的荷载步共分为16级，分层模拟大坝的施工过程。正常蓄水位1 249.50 m，竣工期为第16步。坝体填筑完成后进行稳态渗流分析，将渗流计算的结果提取后施加在坝体进行下一步的应力计算。土石坝典型断面见图1。

图1 土石坝典型断面图

3.2 计算模型和材料参数

典型断面有限元网格见图2。心墙以及基座均采用四边形单元，坝体采用四边形及少量退化的三角形单元。在心墙和基座与过渡料交界面等位置设置4节点Goodman单元。

图2 典型断面的整体有限元模型

筑坝材料、覆盖层地基土、泥皮、混凝土防渗墙与基座的静力计算参数见表1-表4，防渗墙与基座采用的混凝土标号为C25。

表1 筑坝材料静力计算参数(邓肯-张)

表2 筑坝材料静力计算参数(莫尔-库仑)

表3 覆盖层计算参数

表4 混凝土材料静力计算参数

3.3 坝体静力计算结果

3.3.1 坝体位移

典型断面坝体与坝基的水平位移、竖向沉降等值线见图3-图6。从图3-图6中可以看出：

1) 竣工期，坝体在自重作用下，以心墙中心线分别向上下游变形，水平位移值较小，最大值分别为0.06和0.04 m；坝体竖向沉降以心墙为中心线基本上对称分布，最大值为0.58 m。

2) 满蓄期，由于水的浮托力作用，上游坝体有效应力降低，同时水荷载作用于心墙上，故坝体向上游变形区域和数值减小，最大值为0.01 m；向下游变形区域和数值增大，最大值为0.33 m；坝体沉降最大为0.58 m，较竣工期变化不大。

图3 典型断面坝体和坝基水平位移(竣工期)

图4 典型断面坝体和坝基竖向沉降(竣工期)

图5 典型断面坝体和坝基水平位移(满蓄期)

图6 典型断面坝体和坝基竖向沉降(满蓄期)

3.3.2 坝体应力

典型断面坝体的应力等值线见图7-图10。从图7-图10中可以看出：

1) 竣工期，坝体大小主应力除沥青心墙基座局部有应力集中外，整体应力值均较低，小主应力主要分布在沥青心墙，为压应力，最大值出现在心墙中下部，分布规律是从心墙附近向上下游方向逐渐减小，从坝坡向坝基逐渐增大。坝体大主应力等值线与坝坡平行。上下游坝体大小主应力最大值分别为2.45和12.4 MPa。

图7 典型断面坝体和坝基大主应力(竣工期)

图8 典型断面坝体和坝基小主应力(竣工期)

图9 典型断面坝体和坝基大主应力(满蓄期)

图10 典型断面坝体和坝基小主应力(满蓄期)

2) 满蓄期，坝体大小主应力分布规律与竣工期基本一样。上游坝体处的最大主应力明显小于竣工期，下游坝体在侧向推力作用下，主应力略有增加，大小主应力最大值分别为2.58和12.5 MPa。

3.3.3 心墙的位移及应力

坝体典型断面的沥青心墙水平向、竖向位移及应力分布见表5。

表5 心墙位移和应力计算值

从表5中可以看出：

1) 心墙水平位移：竣工期，心墙水平位移很小，最大值为2.8 cm(向下游)；满蓄期，由于心墙上游面受水压力作用，心墙水平位移明显增大，其最大值为33.6 cm(向下游)，发生在心墙顶部。

2) 心墙竖向位移：竣工期，心墙竖向位移最大值为56.1 cm，位于坝高1/3处附近；满蓄期，竖向位移最大值减小为56.5 cm，变化不大。

3) 心墙的应力：除心墙与混凝土基座接触部位有集中应力之外，其余部位心墙的应力水平较低。竣工期，心墙最大压应力为12.5 MPa，发生在心墙底部。满蓄期，心墙最大压应力为13.2 MPa，发生在心墙底部，没有出现拉应力，竖向应力大于水压力，不会发生水力劈裂或拉裂现象。

4) 坝体与坝基位移：竣工期，坝体以心墙为中心线分别向上下游变形，水平向上下游位移最大值分别为0.06和0.04 m；坝体竖向沉降以心墙为中心线基本上对称分布，最大值为0.58 m。满蓄期，坝体向上游变形区域和数值减小，最大值为0.01 m；向下游变形区域和数值增大，最大值为0.33 m；坝体沉降最大为0.58 m，较竣工期变化不大。

4 结论和建议

4.1 坝体与坝基位移

竣工期坝体最大水平位移为0.06 m(向上游变形)，竖向沉降最大值为0.58 m。满续期坝体最大水平位移为0.33 m(向下游变形)，竖向沉降最大值为0.58 m。坝体位移分布与同类工程相似，符合土石坝体的变形规律。地基模量对大坝变形影响较大，可采取一定的工程措施提高坝基密实指标，减小坝基的沉降。

4.2 心墙应力

竣工期和满蓄期的心墙最大压应力分别为12.5和13.2 MPa，发生在心墙底部，心墙没有出现拉应力，竖向应力大于水压力，不会发生水力劈裂或拉裂现象。