水库大坝应力变形及抗水力劈裂探讨

徐生凌

(新疆昌吉州呼图壁河流域管理处，新疆 昌吉 831200)

目前，对于心墙堆石坝的研究资料显示，水库在进行初次快速蓄水时将会对坝体产生一定的不良影响，如大坝在填筑完毕后进行迅速地蓄水将会导致坝体出现横向、纵向的裂缝，或是发生坝壳湿陷变形、加剧心墙堆石坝拱效应、坝顶沉降速率及位移速率提升等问题[1-2]。由此可见，在进行心墙堆石坝的初次蓄水时需要依据大坝的实际情况进行蓄水速率的分析。本研究将以大坝应力变形及心墙抗水力劈裂为研究的重点，探究二者与大坝蓄水速率之间的关系，并据此提出适合的初次蓄水速率方案。

1 工程概况

某水电站是流域中重要的水利水电工程，大坝主体结构为心墙堆石坝结构，其剖面为中央直立心墙式，心墙的填筑材料为天然土以及35%人工碎石心墙掺砾料，施工时考虑到对心墙土料的保护，在心墙的上下游各设置了反滤层，其中上游Ⅰ反滤层宽度为4 m、下游Ⅱ反滤层宽度为6 m，为了使心墙的变形趋势与坝壳堆石体相一致，在上、下游反滤层与堆石料之间修筑了宽度为10 m的细堆石过渡料区。坝顶宽度为18 m，上游设计坡度比为1∶1.9，下游设计坡度比为1∶1.8。

该水利枢纽工程始建于2011年5月，于2014年年底进行截流，2017年年底初次下闸蓄水；大坝于2017年汛前完成心墙填筑高程至327.0 m；2018年心墙填筑高程至377.0 m；2019年度坝体高程全面修筑至404.0 m，并于年底完成坝体的整体填筑工程高程达到423.5 m。

根据对该大坝设计多水年来水保证率(15%)蓄水过程显示，当水位高程处于327.0以下时蓄水的上升速度较快(最高速率为9.25 m/d)；蓄水高程处于327.0～404.0 m时，蓄水速率较为均匀(最高速率为0.84 m/d);而水位高程到达404.0 m时，蓄水速率极为缓慢，最高为0.17 m/d。

2 初期蓄水速率与大坝应力变形分析

2.1 本构模型分析

邓肯E-B模型能够直观地反映出大坝填筑材料的非线性应力变化趋势，而目前对于堆石料的分析也普遍采用该模型，并且通过进行E-B模型分析，可以更好地为水利枢纽工程的设计及施工提供可靠、科学的数据支持。因此，本次研究中本构模型的分析将采用E-B模型分析心墙、过渡料、坝壳料以及河床覆盖层区域的本构关系。E-B模型中的计算公式(1)～公式(3)表示为：

(1)

(2)

(3)

式中：Et为切线的变形模量,MPa；K为切线的模量基数；σ3为围压，MPa;Pa为大气压，kPa；n为切线的模量指数；Rf为破坏比；σ1为三轴试验时坝体填筑材料破坏时主应力，MPa;φ为坝体填筑材料的内摩擦角,(°)；c为坝体填筑材料的黏聚力,MPa；Eur为初始弹性模量,MPa；Kur为加载弹性模数,由试验测得；nur为加载弹性指数,由试验测得；Bt为切线的体积模量；Kb为体积弹性模数,由试验测得；m为体积模量指数,由试验测得。

通过E-B模型分析坝体各材料参数结果如表1所示,表中Γd坝体材料密度；φ0为σ3=Pa时φ值；Δφ反应φ值随σ3而降低的一个参数。

表1 E-B模型分析坝体各材料参数结果

2.2 施工蓄水过程

本研究中蓄水过程主要划分为8个次序，计算时将采用逐级加载的方式，随堆石坝坝体分层碾压填筑施工同步完成。分阶段极限蓄水过程如表2所示。

表2 分阶段蓄水过程

2.3 有限元模型构建

为了更加全面的分析大坝应力变形的特性，构建出坝体、坝基覆盖层以及部分基岩的有限元模型，并将水压力荷载作用于心墙上游面，所构建的有限元模型将采用八节点六面体进行有限元网格的划分，共由29 765个节点以及26 997个单元构成。有限元计算模型如图1所示。

图1 有限元计算模型

3 结果分析

为了能够更加准确地分析出心墙的水力劈裂效应，在心墙“水压楔劈”效应的基础上在大坝上游心墙表面设置渗透弱面单元(如图2所示)。

图2 水压楔劈效应及心墙表面渗透弱面单元示意图

3.1 蓄水条件下大坝的应力变形特性分析

根据E-B模型条件下不同蓄水条件所对应的坝体应力变形特征数值如表3所示。

表3 不同计蓄水条件下坝体应力变形特征数值

坝体施工至坝顶、蓄水位高程为414 m状体下的坝体顺河向位移分布及竖向沉降分布如图3所示。

图3 基本计算工况下坝体顺河向位移分布及竖向沉降分布等值线

根据上述分析结果可知：在不同工况下坝体向上下游的水平位移分别在22.30～29.72 cm、29.34～52.57 cm 的范围，向上游水平位移呈现出增长主要发生在工程填筑施工阶段，在蓄水时随着水位高程的增加反而呈现出降低的趋势，向下游水平位移的变化趋势在填筑施工以及蓄水过程中均呈现出增长的状态。蓄水位高程达到414 m时处于最大值，达到52.6 cm；在不同工况下大坝坝体的最大沉降值差异不显著，并且在水库蓄水后出现部分抬升的情况，当坝体施工至坝顶且蓄水水位高程达到414 m后坝体的最大沉降值为188.0 cm，且不同工况下坝体的最大沉降值均出现在坝高1/2略下的区域；根据不同蓄水条件下坝体应力变形特征数值结果，竖向应力与自重应力之比(σz/γh)显示，在不同工况下均在0.5～0.7范围内，说明心墙拱效应极为显著。此外，大坝上游的坝壳应力数值较大，虽然心墙上游数值达到0.9，但不会引起坝壳向上游滑动的情况发生，更不会对坝体整体稳定性造成不良影响[3-4]。

3.2 蓄水速度对大坝应力变形特性的影响分析

根据大坝在不同蓄水速率状态下坝体的应力变形情况可以发现，大坝蓄水速率对其应力变形的影响相对较小，并且在不同的蓄水速率条件下，大坝的满蓄应力分布以及坝体的位移分布的差异均较小；大坝坝体水平位移分布具有一定的差异，并且差异不具有全局性(具有较大的限制)[5-6]。不同蓄水速率下心墙轴线上水平位移分布曲线示意图如图4所示。

3.3 心墙的抗水力劈裂特性

采用心墙水压楔劈效应以及上游心墙表面设置渗透弱面单元的方式时，渗透弱面尖端单元的有效应力将会随着蓄水水位的上升，以沿坝轴向的形式持续降低，降低约40%～80%，并且尖端单元沿坝轴向应力的减少程度与蓄水速冻呈现为正比关系，说明在蓄水速度过快的情况下心墙发生水力劈裂的几率会增加[7]。

图4 不同蓄水速率下心墙轴线上水平位移分布曲线示意图

通过变形倾度以及剪切应变控制式评估大坝坝顶纵向、横向存在发生裂缝的可能性，其验证结果显示，在不同的蓄水速率下坝顶变形倾度均在1%以下(所得结果数值越小发生裂缝的可能性就越低)；各工况下坝顶区域的剪应变数值趋向于1%，数值结果均较低，说明在坝顶靠近两侧岸坡区域发生裂缝的可能性极低[8-9]。

4 结 论

通过对大坝初次蓄水速度与大坝应力变形、抗水力劈裂关系进行分析，结果表明：

(1)大坝蓄水速率对其应力变形的影响相对较小，并且在不同的蓄水速率条件下，大坝的满蓄应力分布以及坝体的位移分布的差异均较小；大坝坝体水平位移分布具有一定的差异，并且差异不具有全局性(具有较大的限制)。

(2)渗透弱面尖端单元的有效应力将会随着蓄水水位的上升，以沿坝轴向的形式持续降低，降低约40%～80%，并且尖端单元沿坝轴向应力的减少程度与蓄水速率呈现为正比关系，说明当蓄水速度过快的情况下将会增加心墙发生水力劈裂的几率，各工况下坝顶区域的剪应变数值趋向于1%，数值结果均较低，说明在坝顶靠近两侧岸坡区域发生裂缝的可能性极低。