复杂地基下高心墙堆石坝变形特性影响研究

袁上丰，陈建康，张 瀚，王万千，卢 祥，周正军

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065;2．四川大学水利水电学院，成都 610065;3.国家能源集团国电大渡河流域水电开发有限公司，成都 610047；4.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

0 研究背景

随着西部大开发及西电东送发展战略的实施和筑坝技术的发展，我国西南部地区目前在建和拟建坝高100～200 m量级的堆石坝已有10座以上[1]，对于这些重大水利水电工程，充分保证其安全性是进行工程建设的核心问题。然而，我国西南部地区河流中深厚覆盖层普遍发育，坝体往往建于深厚覆盖层上，在这种复杂地基条件上，如何科学把控这些高坝工程运行中的变形特性具有十分重要的理论意义和工程应用价值[2]。

工程经验表明，过大的后期变形通常是导致堆石坝裂缝等破坏现象的主要原因[3]。为此，针对高心墙堆石坝的变形特性问题，大量科研人员通过理论或试验、数值模拟等不同方法对高心墙堆石坝的变形特性进行了研究[4-7]。而对于建立在深厚覆盖层上的高心墙堆石坝来说，其变形的影响因素除坝体分区、材料特性、坝体结构等影响外，还与河谷地形、坝高及覆盖层厚度等因素密切相关[8,9]。褚福永[10]已采用三维有限元方法对比分析了不同河谷宽高比时竣工期心墙堆石坝的应力和变形。目前，对于深厚覆盖层上的高心墙堆石坝，关于覆盖层的厚度与坝高对堆石坝变形特性的影响规律分析的研究资料较少，尚缺乏系统性的分析。为此，针对这一问题，本文利用三维有限元数值模拟方法，根据已建多座高心墙堆石坝坝高及地基厚度情况，及其坝体、地基材料力学参数，按照不同坝高与覆盖层厚度拟定了20种计算方案，探求了在复杂地基下对高心墙堆石坝坝体变形特性及量值与坝高、覆盖层厚度之间响应关系。

1 研究方案

1.1 方案设计

表1中统计了国内多个高心墙堆石坝工程的坝高及覆盖层厚度[11]。由统计可知，我国大部分高心墙堆石坝都分布在我国西南地区。对西南地区的主要河流覆盖层深度的统计结果表明[12,13]，覆盖层在我国西南地区流域如金沙江、岷江、雅砻江、大渡河中普遍发育，深度多分布在100 m范围内，局部地区达到100 m以上，且覆盖层在物质组成上存在一定的共性[14]。

表1 国内覆盖层上的高心墙坝工程Tab.1 High core rockfill dams on the overburden in China

从表1的统计可知，目前国内高心墙坝的坝高分布范围大致在100～200 m内，200 m以上建成数量较少，因此探讨100级及200级大坝变形在不同覆盖层厚度的特征及区别很有必要。于是，拟定100、140、180、250 m 4种典型坝高，再结合西南片区地基情况，拟定 0、30、60、90、120 m 5种情况的覆盖层厚度，每种坝高分别对应5种覆盖层厚度，共20种方案。具体计算方案见表2。

表2 高心墙堆石坝变形计算方案Tab.2 High core rockfill dam deformation calculation plans

1.2 模型构建

根据规范《碾压土石坝规范》SL276-2001中建议，再对国内外已建或在建的100 m以上的多个高心墙堆石坝横断面尺寸统计可知，250 m以下土石坝顶宽度一般在10～20 m之间，多数为15 m左右；上游坝坡坡率为1∶1.7～1∶2.7，下游坝坡坡率为1∶1.5～1∶2.5，多数在1∶2左右。直心墙坡率多为1∶0.2左右。根据以上统计，按如下方式设计断面尺寸：大坝顶宽为15 m，上下游坝坡坡率均取1∶2.0；直心墙坡率上下游均取1∶0.2。河谷剖面选取采用典型的平直河谷，模型采用分层加载方式逐级填筑，按坝高不同分别以10～15 m不等的加载层高进行加载，水荷载以3级加载方式依次加载于坝体心墙上游面之上。模型三维有限元网格示意图见图1～图2。

1.3 参数选取

大坝土料及基础本构模型采用邓肯-张E-B模型。由于对土石坝变形特性影响最大的材料主要有：坝体主次堆石、坝体心墙料、河床覆盖层，为此分析了狮子坪、瀑布沟、糯扎渡、水牛家等5个工程的坝体，地基材料参数。其计算所用的参数中，坝壳堆石、过渡层和反滤层是根据以上5个工程类比而选定的，其余均的则是根据试验成果，并参照已建工程所采用的参数确定的，最后选取表3非线性计算参数作为模型的计算参数。

图1 心墙堆石坝三维有限元网格图Fig.1 Three-dimensional finite element mesh diagram of core rockfill dam

图2 心墙堆石坝大坝网格图Fig.2 Core rockfill dam grid diagram

表3 心墙堆石坝变形计算参数表Tab.3 Core rockfill dam deformation calculation parameter table

2 结果分析

2.1 坝体变形特性分析

对上述方案下的堆石坝体进行三维有限元计算。分析计算结果发现，对于不同的坝高，不同厚度覆盖层下，变化规律基本一致：顺河向变形量值下游大于上游，最大水平变形发生在下游堆石区1/3高程偏心墙处；沉降变形量值上游略大于下游，最大沉降出现在坝高1/3～1/2心墙区域。这种规律是由分层碾压、填筑材料物理力学特性的非线性、水荷载和坝体结构形态等共同作用形成的。图5、图6给出了坝高为250 m，覆盖层厚度为120 m方案下最大横剖面顺河向水平位移和沉降等值线图。

图3 最大横剖面顺河向水平位移等值线图(H=250 m，h=120 m)(单位：m)Fig.3 Maximum cross-sectional horizontal displacement contour map(H=250 m,h=120 m)

图4 最大横剖面沉降等值线图(H=250 m，h=120 m)(单位：m)Fig.4 Maximum cross-section settlement contour map(H=250 m,h=120 m)

2.2 覆盖层厚度影响规律分析

为进一步分析覆盖层厚度对坝体变形的影响，图5(a)～(d)给出了对于相同坝高下最大横剖面随覆盖层厚度的变化规律。从图5可以看出：①三向位移量总体随着覆盖层厚度的增加而增加，另外由于大坝沉降是大坝与地基沉降共同的作用，顺河向变形主要以坝体变形为主，因此覆盖层厚度变化对大坝沉降影响远大于顺河向变形；②不同坝高覆盖层变化对变形的影响关系不完全一致，在坝高180 m以下，变形随着覆盖层增大其增幅也变大，当覆盖层在250 m时，变形随着覆盖层增大增幅减小，究其原因认为，当大坝高于一定高度时，沉降变形中坝体沉降影响逐渐增大，外加坝体自重载荷对地基压缩的影响随应力沿程耗散而渐趋收敛，这时就出现在高坝时覆盖层达到一定厚度时增幅减缓的情况。

2.3 坝高影响规律分析

图6(a)～(e)给出了对于相同覆盖层厚度最大横剖面位移随坝高的变化规律。从图6可以看出：①三向位移量总体随着坝高的增加而增加，由于坝高增加带来垂向压缩量大于侧向变形量，水荷载会产生水平向推力会使大坝向顺河向移动，因 此沉降受坝高变化影响比顺河向大，下游顺河向水平位移增幅略大于上游。②坝高变化对变形的影响关系不完全一致，在覆盖层在100 m以下时，随着坝高增大其变形的增幅也变大，当覆盖层在120 m时，随着坝高增大其变形增幅减小，查看了计算地基变形量值，初步分析认为，由于上部荷载对地基的影响在一定范围，会随着覆盖层加深而减弱，并且衰减不是线性，到达一定深度会加速衰减，当覆盖层较浅时，由于我们分析的都是100 m级高坝，荷载还没完全进入快速衰减区，坝高荷载影响范围在覆盖层内基本属于强区域，当覆盖层较深时，坝高荷载影响范围基本在覆盖层内，但坝高到一定程度，坝高荷载影响范围超过覆盖层厚度，因此随坝高增加增幅会有所减少。

图5 不同坝高H下位移随覆盖层厚度变化曲线图Fig.5 Curves of displacement with thickness of overburden under different dam heights

图6 不同覆盖层厚度h下位移随坝高变化曲线图Fig.6 Curve of displacement with dam height under different thickness of overburden

3 结 论

通过对本文各方案计算成果的对比分析，可以得到以下主要结论。

(1)不同坝高不同覆盖层的变形规律基本一致，顺河向变形量值下游大于上游，最大水平变形发生在下游堆石区1/3高程偏心墙处；沉降变形量值上游略大于下游，最大沉降出现在坝高1/3～1/2心墙区域。

(2)坝高、覆盖层厚度与堆石坝的变形量值呈正响应关系，其中对沉降变形的影响大于水平向，但不同坝高及不同覆盖层与堆石坝的变形量之间的响应关系不完全一致，初步分析原因认为主要是坝体自重载荷对地基压缩影响随着应力沿程耗散而逐渐收敛，影响具有一定范围，这个范围引线并不是线性的，因此响应关系会与坝高及覆盖层厚度之间的比值有关。同时这现象也证明了高心墙堆石坝对覆盖层具有一定的适应能力，地基处理时应根据坝高不同制定方案，更重视上层覆盖层的处理。

(3)目前碾压式土石坝设计规范(DL.T5395-2007)，主要根据100 m以下的坝统计制定了“土质防渗体分区坝竣工后的坝顶沉降量不宜大于坝高的1%”，认为超过该标准坝体容易开裂，在计算的20个方案中，仅有方案1.1、1.2、2.1的沉降值占坝高的比例未超过1%，其余方案沉降值占坝高比例均超过1%，结合监测资料来看，很多大坝也超过这个标准，并且从前面分析，大坝的沉降量值应综合考虑坝高和覆盖层厚度，因此针对高坝这个标准取值还需进一步研究。

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