某堆石坝沥青混凝土心墙接头变形协调性计算研究

朱鹏飞

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

0 引言

沥青混凝土心墙结构防渗形式在国外发展较早，在我国起步较晚[1]。如今，国内外修建了大量的沥青混凝土心墙堆石坝，其设计、施工和试验规程、规范体系也逐渐完善，施工技术方法已经日趋成熟。在大坝施工和运行过程中，沥青混凝土心墙在陡边坡接头部位可能发生较大的剪切位移[2]，因此，沥青混凝土心墙在陡边坡接头部位需要具有较大的变形能力。高陡边坡处沥青混凝土心墙接头是一个关键部位，砂质沥青玛蹄脂处在水泥混凝土基座和沥青混凝土心墙之间起胶结作用，所以其厚度对粘结性能的好坏有影响[3]。长期蠕变试验更接近大坝工程施工的实际情况。在高陡边坡条件下，如何保证沥青混凝士心墙与水泥混凝土垫座良好的连接、连接接头能够适应坝体变形和在地震条件下的变形而不发生裂缝渗漏是一个很值得研究的课题。

1 工程概况及几何模型

1.1 工程概况

某沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高171.2 m，沥青混凝土心墙最大高度157.5 m。坝址处河谷狭窄，两岸边坡不对称，尤其是左岸水泥混凝土基座边坡设计为1∶0.33。在大坝施工和运行的过程中，沥青混凝土心墙在陡边坡接头部位可能发生较大的剪切位移，而且在高陡边坡坝肩部位容易产生拉应力导致拉伸破坏，这就需要沥青混凝土心墙在陡边坡接头部位具有较大的变形能力，以防发生剪切和拉伸破坏。本文对4种不同配合比沥青混凝土进行长期蠕变试验，得出蠕变稳定模量，对大坝采用简化的二维有限元计算方法，计算分析沥青混凝土心墙沿心墙轴线方向的变形和应力应变，分析左岸陡边坡基座水平距离10 m 范围内调整心墙沥青混凝土油石比对心墙与基座的接头部位性能的影响。

1.2 几何模型

本文主要对某沥青混凝土心墙进行简化，建立几何模型，给出了模型计算的参数，用有限元软件GeoStudio 中的SIGMA/W 模块进行沿心墙轴线方向的简化二维线性计算，心墙周围水泥混凝土基座可以看成是刚性材料，不计其变形，所以建模计算分析仅考虑沥青混凝土心墙的变形和应力应变情况。沥青混凝土心墙顶高程为2 333.0 m，基座顶高程2 175.5 m，沥青混凝土心墙的最大高度为157.5 m，心墙分19 层进行施工。沥青混凝土心墙网格划分见图1。

图1 心墙剖面网格划分图

为了研究沥青混凝土心墙与陡边坡基座接头部位的变形和应力应变情况，沥青混凝土心墙分为两个区域，其中左岸陡边坡基座水平距离10 m范围内沥青混凝土心墙按不同油石比设置性能可变区，而心墙其余部分为推荐油石比沥青混凝土。通过调整性能可变区沥青混凝土的油石比来研究不同油石比对沥青混凝土心墙与陡边坡接头部位变形和应力应变性能的影响，为优化接头设计提供计算成果支持。沥青混凝土心墙假定为线弹性材料，材料参数见表1。

表1 模型计算参数

2 计算结果

2.1 沥青混凝土心墙沿心墙轴线方向的变形和应力应变

沥青混凝土心墙沿心墙轴线方向的变形和应力应变计算结果见表2。

由表2 可以看出，沥青混凝土心墙沿心墙轴线方向左岸侧最大水平位移为0.06 m，位于约5/6 坝高处；右岸侧最大水平位移为0.15 m，位于约1/2坝高处。心墙最大垂直位移为0.99 m，位于心墙中部约1/2 坝高处。心墙最大水平应力为937.6 kPa，位于约1/5坝高处，靠近左岸侧；心墙顶部与两岸接头处有较小的拉应力。心墙最大垂直应力为1 576.3 kPa，位于约1/4 坝高处，靠近右岸侧。心墙左岸侧最大剪切应力为431.2 kPa，位于约1/3坝高处；心墙右岸侧剪切应力最大值为193.2 kPa，位于约1/3 坝高处。心墙左岸侧最大水平应变为0.65%，为拉应变，位于约1/4坝高处；心墙右岸侧最大水平应变为0.63%，位于约1/4 坝高处。心墙最大垂直应变为2.65%，位于约1/4 坝高处，靠近右岸侧。心墙左岸侧最大剪切应变为3.68%，位于约1/3 坝高处；心墙右岸侧最大剪切应变为1.65%，位于约1/3坝高处。

表2 沥青混凝土心墙的计算结果

从沥青混凝土心墙的变形和应力应变计算结果来看，其数值符合堆石坝沥青混凝土心墙一般规律，可以作为进一步计算分析的依据，也说明该沥青混凝土心墙堆石坝施工和运行是安全的。

2.2 调整陡边坡部位沥青混凝土性能对心墙性能的影响

为了使左岸陡边坡部位沥青混凝土能更好地适应较大的变形，对不同油石比沥青混凝土进行长期蠕变试验，确定其长期蠕变稳定模量。调整左岸陡边坡基座水平距离10 m 范围内心墙沥青混凝土油石比，研究其对沥青混凝土心墙性能的影响。4种不同油石比沥青混凝土的蠕变稳定模量对心墙性能影响的计算结果见表3。

由表3 可以看出，随着左岸陡边坡基座水平距离10 m 范围内心墙沥青混凝土的稳定蠕变模量逐渐减小，心墙左岸侧最大水平位移基本不变，为0.06 m，右岸侧最大水平位移从0.13 m 逐渐增大到0.21 m；最大垂直位移从0.96 m逐渐增大到1.16 m；当心墙沥青混凝土的稳定蠕变模量分别为36.1、27.4、19.1 MPa时，最大水平应力基本不变，为944.5 kPa左右，但当稳定蠕变模量为10.3 MPa时，最大水平应力为1 061.3 kPa；最大垂直应力从1 556.2 kPa逐渐增大到1 913.2 kPa；心墙左岸侧最大剪切应力从446.3 kPa 逐渐减小到363.1 kPa，右岸侧最大剪切应力从193.2 kPa 逐渐增大到199.3 kPa，变化不大；心墙左岸侧最大水平应变从0.47%增大到2.04%，变化较大，当稳定蠕变模量分别为36.1、27.4、19.1 MPa时，右岸侧最大水平应变基本不变为0.63%左右，当稳定蠕变模量为10.3 MPa时，最大水平应变为0.79%，较明显的增大；最大垂直应变从2.62%增大到4.00%；心墙左岸侧最大剪切应变从2.78%增大到9.21%，变化较大，右岸侧最大剪切应变基本不变为1.66%左右。

表3 不同油石比沥青混凝土的蠕变稳定模量对心墙性能影响的计算结果

由以上计算结果可知，当油石比增大即蠕变稳定模量减小时，左岸陡边坡基座水平距离10 m范围内沥青混凝土心墙变形和应力应变呈现有规律的变化，没有出现突变。因此，对左岸陡边坡基座水平距离10 m 范围的沥青混凝土心墙可以微调油石比以提高沥青混凝土心墙的变形能力，而不宜过大提高油石比以免引起较大剪切应变。

2.3 推荐配合比靠近陡边坡不同距离处的变形和应力应变分析

计算分析推荐油石比为6.8%（蠕变稳定模量27.4 MPa）左岸陡边坡基座水平距离分别为2.5、5.0、7.5、10.0 m处的心墙变形和应力应变情况（见表4）。

表4 推荐油石比左岸陡边坡基座不同水平距离心墙变形计算结果

2.4 不同油石比左岸陡边坡不同水平距离处的变形和应力应变分析

调整左岸陡边坡基座水平距离10 m 范围内心墙沥青混凝土油石比，分别计算分析左岸陡边坡基座水平距离2.5 m和10 m处心墙的变形和应力应变情况（见表5）。

表5 不同油石比左岸陡边坡基座一定水平距离心墙变形计算结果

由表5 可以看出，调整左岸陡边坡基座水平距离10 m范围内心墙沥青混凝土油石比，对沥青混凝土心墙和左岸陡边坡基座水平距离10 m 范围内心墙的变形和应力应变影响不大。对左岸陡边坡基座水平距离2.5 m和10 m处心墙的变形和应力应变影响进行分析，结果表明：对左岸陡边坡基座水平距离10 m处心墙的变形和应力应变影响不大，对左岸陡边坡基座水平距离2.5 m处心墙的影响主要体现在对剪切应变的影响。因此，为了提高沥青混凝土心墙在左岸陡边坡接头部位的变形能力，可以在沥青混凝土油石比6.8%的基础上提高0.2%，即7.0%。

3 结论

（1）沥青混凝土心墙高坝施工和运行是安全的。

（2）调整左岸陡边坡基座水平距离10 m 范围内心墙沥青混凝土油石比，对沥青混凝土心墙和左岸陡边坡基座水平距离10 m 范围内心墙变形和应力应变影响不大。为了提高沥青混凝土心墙在左岸陡边坡接头部位的变形能力，可以考虑将左岸陡边坡基座水平距离10 m 范围内心墙沥青混凝土油石比由6.8%提高为7.0%。