300 m级超高直心墙和斜心墙土石坝应力变形分析

葛立立，褚福永*，金 伟，白 明

（1.丽水学院工学院,浙江丽水323000;2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川成都610072）

土石坝因其能够适应复杂地质条件，在深厚覆盖层等复杂地质条件下常常被作为首选的坝型，有时甚至是唯一的选择。近年来，随着筑坝技术的快速发展，国内外土石坝越建越高，正向着300 m级高度发展。国外已建的300 m级土石坝有前苏联罗贡坝（最大坝高335 m）和努列克坝（最大坝高300 m）等[1]；国内已建或设计论证中的300 m级土石坝有双江口水电站心墙堆石坝（最大坝高314 m）和糯扎渡水电站心墙堆石坝（最大坝高261.5 m）等[2]。

然而，目前300 m级超高土石坝设计经验还较少，设计和计算理论尚不成熟，还存在一些亟待深入研究的关键性技术问题。关于变形协调问题、如何减轻超高心墙坝的应力拱效应及增强心墙抗裂能力等，是人们关心的问题[3-10]。

另一方面，直心墙和斜心墙为土石坝的主流坝型，在实际中几乎每个土石坝工程均需进行直心墙和斜心墙方案的比选，分析比较这两种坝型各自特点及相应的规律，为选择更为合适的坝型提供理论依据。

为此，本文结合某300 m级心墙土石坝工程的直心墙和斜心墙两种方案的静力有限元计算结果，对这两种坝型在静力作用下应力变形特性进行了对比分析，初步得出一些有益的结论，为类似工程提供参考。

1 计算模型与计算参数

某300 m级超高心墙堆石坝最大坝高295 m，坝址河床覆盖层厚度较薄，实测最大厚度为12.4 m，故将坝体建基面的河床覆盖层全部挖除。本文对两种坝型（直心墙和斜心墙土石坝）的土石坝进行了计算，两种坝的典型断面见图1。在三维有限元计算中，考虑了坝体分期填筑及蓄水的过程。坝体堆石料采用邓肯-张E-v模型，计算模型参数如表1所示。

图1 典型断面及材料分区

三维有限元计算分29级加荷，对施工及先期蓄水逐级加荷过程进行模拟。其中，1～23级为坝体施工，24～29级为蓄水至正常高水位2 865 m高程。计算考虑蓄水引起的坝壳湿化变形。采用双线法计算湿化变形，湿化后堆石料的摩擦角较表1中的数值小2度，邓肯参数K减小15%，其他参数同表1。

表1 邓肯-张E-ν模型计算参数

2 计算结果分析

对直心墙和斜心墙两种坝型的心墙土石坝进行了三维有限元计算，其变形最大值及相关应力统计值列于表2。由表2可以看出，两种坝的应力变形性态有一定程度的差异，以下重点分析坝体应力变形性状。

表2 三维有限元计算的蓄水期大坝主要应力变形值

2.1 坝体的变形性状

图2～图3分别给出了斜心墙和直心墙坝蓄水期坝体的沉降及顺河向水平位移的等值线图。由图2（a）可以看出，直心墙坝蓄水期坝体沉降较为对称，上下游沉降基本一致，心墙沉降较两侧堆石的要大。最大沉降值位于心墙中部略偏下游处，高程位置约在1/2坝高处，最大沉降为294.24 cm，占坝高（295 m）的0.997%。

由图2（b）可以看出，斜心墙坝的坝体沉降也呈中间大两边小的规律，但最大沉降偏下游堆石部位，高程位置也约在1/2坝高处。心墙倾斜导致上游坝体堆石料对心墙的垂直压力更大可能是最大沉降向下游偏移的主要原因。斜心墙坝坝体最大沉降为324.68 cm，占坝高的1.1%。

图2 蓄水期坝体沉降等值线（单位：cm）

由图3可以看出，两种心墙坝下游坝壳的位移均比上游坝壳的位移大，位移最大值均约在1/2坝高处。其中，直心墙坝向下游的位移最大值为113.75 cm，较向上游位移相应值的增幅为20.8%。斜心墙坝向下游的位移最大值为118.55 cm，较向上游位移相应值的增幅为29.5%。

图3同时显示，斜心墙坝向上下游的位移均大于直心墙的相应值，其增幅分别为2.8%和4.2%。心墙拱效应的强弱不同可能是两种坝顺河向水平位移之间存在差别的主要原因。

图3 蓄水期坝体顺河向水平位移等值线（单位：cm）

2.2 坝体的应力性状

图4～图6给出了两种心墙坝坝体的大、小主应力及应力水平等值线。由图4（a）和图4（b）可以看出，蓄水期直心墙坝和斜心墙坝心墙内的大主应力明显比反滤层、过渡层内的大主应力低，两种坝型的心墙均存在一定的应力拱效应。

图4 蓄水期坝体大主应力等值线（单位：MPa）

由表2可知，斜心墙坝蓄水期的σz/γh比值较直心墙的相应值增幅为7.57%，说明斜心墙坝的拱效应比直心墙坝低。

由图5（a）和图5（b）可以看出，蓄水期直心墙坝和斜心墙坝心墙内的小主应力均大于零，即没有出现拉应力，不会产生拉裂缝。图5（a）和图5（b）同时显示，直心墙坝的反滤、过渡区及心墙下部靠近基座位置均出现应力集中，斜心墙反滤及过渡区也出现应力集中。因此，竣工期做好这些部位的填筑工作对保证坝体的安全极为重要。

图5 蓄水期坝体小主应力等值线（单位：MPa）

由图6（a）和图6（b）可以看出，蓄水期直心墙坝和斜心墙坝心墙内及下游坝壳的应力水平均整体不高，大部分区域在0.5以下，下游坝壳的应力水平大部分区域在0.8以下。

由图6（a）和图6（b）还可以看出，蓄水期直心墙坝和斜心墙坝上游坝壳的应力水平均较高，大部分区域超过了0.8，有些区域达到了1.0。但由于心墙及下游坝壳对上游坝壳变形的约束作用，上游坝壳的稳定性仍可以保持良好。

图6 蓄水期坝体应力水平等值线

为研究两种坝型抗水力劈裂的差异性，本文采用文献［4］中的总应力法判断水力劈裂的发生，即采用心墙外水压力是否超过心墙上游处土中的中主应力来判断水力劈裂发生的可能性，同时考虑心墙土抗拉强度。

整理出两种坝型心墙上游面各单元的u/（σz+σt）（其中，u为心墙上游面水压力，σz为对应高程处心墙单元的竖向应力，σt为心墙土的抗拉强度，这里近似取为黏聚力）。分析发现，直心墙坝的u/（σz+σt）比值均在0.9以下，而斜心墙坝的u/（σz+σt）比值在0.8以下。我们同时整理出了直心墙坝与斜心墙坝上游面u/（σz+σt）的平均值，其分别为0.467和0.445。因此可以认为，斜心墙土石坝的抗水力劈裂能力强于直心墙土石坝。

3 结论

超高土石坝常用坝型有直心墙土石坝和斜心墙土石坝。本文通过对某300 m级直心墙和斜心墙超高土石坝的三维有限元计算结果的对比分析，重点研究了两者坝体应力变形性态的差异，主要得到以下结论：

（1）直心墙坝坝体的水平位移和沉降比斜心墙坝的相应值略小。

（2）两种坝均存在心墙拱效应，但斜心墙坝的σz/γh平均值均大于直心墙坝的相应值，说明斜心墙土石坝的拱作用比直心墙土石坝的弱。

（3）蓄水期直心墙坝和斜心墙坝心墙内的小主应力均大于零，不会产生拉裂缝。但应注意局部出现的应力集中现象。

（4）蓄水期两种坝的心墙及下游坝壳整体应力水平均不高，上游坝壳应力水平较高。由于心墙及下游坝壳对上游坝壳变形的约束作用，上游坝壳可以保持良好的稳定性。

（5）总应力法判断结果表明，斜心墙坝抗水力劈裂能力优于直心墙坝。