寨子河瀝青混凝土心墻堆石壩滲流及應力應變分析

葉發文 ，高 陽 ，張建海 ，趙元弘

（1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；3.四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072）

1 工程概況

寨子河水庫位于四川省萬源市太平鎮杜家壩村和茶埡鄉磙子坪村境內，水庫位于后河左岸一級支流寨子河中游。壩址以上控制集水面積20.3 km2，多年平均來水量1827萬m3，是一座以城市供水和灌溉為主，兼顧鄉村人畜供水的中型水利工程。水庫總庫容1175萬m3，興利庫容953萬m3，多年平均城市供水量780萬m3，設計灌溉面積 0.13萬hm2。水庫樞紐由攔河大壩、泄洪隧洞、放空隧洞、取水隧洞等建筑物組成。攔河大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程880.00 m，壩頂寬10.0 m，壩頂軸線長227 m，最大壩高93.0 m，最大壩底寬約342.6 m。大壩上游邊坡1∶1.7；下游壩坡馬道寬7.0 m，平均坡度1∶1.6，局部坡度1∶1.25。壩頂上游側設C20混凝土防浪墻，墻頂高程881.20 m。心墻與壩殼之間設過渡層，上、下游側水平厚度均為3.0 m。心墻底部設寬8.0 m、厚1.0 m的C20混凝土基座作為帷幕灌漿和固結灌漿的蓋板。大壩上、下游均采用灰巖堆石料碾壓填筑。基礎防滲采用帷幕灌漿，沿壩軸線共布置3排防滲帷幕，排距3.0 m，孔距2.0 m，帷幕深度按伸入巖體透水率q≤3 Lu以下5.0 m控制。為解決壩肩繞壩滲漏問題，將防滲帷幕自兩壩肩沿壩軸線分別向左、右壩肩水平延長100.0、120.0 m。最大帷幕灌漿深87.8 m，平均帷幕灌漿深47.3 m。

目前碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩已建成約120多座，該壩型具有防滲性可靠、抗震性強、適應壩體和基礎變形能力強等優點，并且壩體結構簡單，對骨料要求不高，工程造價較低，受氣候等條件影響較小，尤其適用于寒冷地區，因此瀝青混凝土心墻壩在北方地區得到廣泛地應用[1-2]。壩體結構設計是工程的關鍵，對大壩進行應力變形分析，可以了解瀝青混凝土心墻的受力特點和安全穩定狀態；對大壩進行滲流分析，可以了解混凝土心墻的抗滲特性[3]。故本文對寨子河碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩進行三維有限元分析，模擬建設期及蓄水過程的不同工況，研究分析大壩的多個剖面變形與應力特征以及心墻的應力及應變，得到不同水位對壩體的滲流及混凝土的不同配比對壩體及心墻的應力應變影響情況。

2 計算模型

本文滲流分析基于質量守恒及達西定律的穩定滲流[4]。由于壩體材料 （心墻料、反濾料、過濾料、堆石料）及壩基覆蓋層的應力應變曲線具有明顯的非線性特征[5]，故采用鄧肯-張 （Duncan-Chang）彈性非線性模型的E-μ模型[6]進行計算。在不同材料分界面之間設置接觸面單元用以模擬面板之間的相對錯動，計算時采用Goodman接觸面模型。在模擬每層填筑或分級加載時采用 “中點增量法”。蓄水過程模擬中，在心墻上游面施加水壓力，覆蓋層以及自由面以下堆石施加向上滲透力，混凝土基座施加揚壓力。本文采用四川大學水電學院多年擴充完善的三維非線性有限元分析程序NASGEWIN（計算機軟件著作權登記號:2009SR027603）進行建模計算，該程序已在十多個重大土石壩工程項目研究中取得了良好的應用效果。

3 研究方案

3.1 建立三維有限元模型

寨子河三維有限元計算的范圍為:沿寨子河壩軸線上、下游分別取206.00、214.00 m，即順河向x方向截取420.00 m；橫河向z方向由樁號0-200.00取至樁號0+420.00，橫河向總長620.00 m，共切取縱剖面37個。鉛直向y由658.00 m高程取至地表自由面。三維有限元網格共計剖分13797個節點和13417個單元。

3.2 計算工況及計算參數

（1）計算工況。對寨子河大壩進行滲流及壩體應力變位的計算分析，共7種工況。其中，滲流計算工況S1～S4（見表1）主要研究瀝青心墻滲透系數相同的情況下，不同水位壩體及壩基滲流場及滲流量的影響；壩體應力應變分析主要計算竣工期和正常蓄水位下的4種工況 （見表2），采用2種不同心墻瀝青混凝土配合比材料分析壩體應力應變特征。

表1 寨子河瀝青混凝土心墻堆石壩滲流計算工況

表2 寨子河瀝青混凝土心墻堆石壩應力應變計算工況

（2）計算參數。計算時采用的寨子河碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩材料物理力學參數和巖體物理力學參數見表3、4。

表3 寨子河大壩材料物理力學建議參數 （E-μ模型）

表4 寨子河大壩巖體物理力學參數

4 計算成果及分析

4.1 滲流分析

根據數值計算結果可以得到工況S1～S4壩體及壩基滲透場的分布特性:①壩體心墻和帷幕滲流量見表5，由表5可知，工況S1通過心墻的滲流量為4.2098×10-5m3/s，占總滲透流量的0.50%；由于帷幕阻斷了壩基主要滲透路徑，工況S1通過帷幕的流量為3.5913×10-3m3/s，占總滲透流量的 42.95%；工況S1總滲流量為8.362×10-3m3/s，僅占多年平均流量的1.443%，故瀝青混凝土心墻和帷幕防滲效果良好。②工況S2、S3、S4的滲流規律與工況S1基本一致。③工況S1～S4在混凝土心墻的上游至下游的比降分別為 63.104、63.775、63.318及 37.534，均小于允許比降100。④圖1為剖面0+140滲壓分布情況，由圖1可知，工況S1和工況S4明顯不同，工況S1的滲壓明顯大于工況S4，主要是由壩體上游水位的差異所導致。

4.2 壩體變位及應力分析

計算竣工期和正常蓄水位下各剖面局部區域順河向位移Ux及豎向位移Uy，同時得到各剖面局部區域最大與最小主應力分布情況，據此分析各剖面的特征節點在各工況下的位移與應力。圖2為典型剖面0+140處的材料分區及特征節點位置。

表5 寨子河大壩壩體心墻和帷幕的滲流量 10-3m3/s

圖1 剖面0+140滲壓等值線示意

圖2 寨子河大壩剖面0+140的材料分區及特征節點位置示意

4.2.1 壩體變位分析

圖3和表6為剖面0+140在4種工況下特征節點的位移情況:①4種工況的各橫剖面沉降和河床壩段順河向水平變位分布規律基本相同 （見圖3）。即最大沉降量一般出現在壩體中心線附近，且隨壩高增加而增加；以上區域一般向上游變位，壩軸線以下區域則向下游變形。②壩體變位受瀝青心墻配合比的影響十分微弱。對比工況Ⅰ和Ⅱ，壩最大剖面的最大沉降均出現在壩體中部835.00 m高程處，分別為-28.877、-28.594 cm，而工況Ⅳ的最大沉降為-28.698 cm，僅增加了約0.18 cm，差異微小；對比工況Ⅱ和Ⅳ，下游堆石節點8060向下游變位分別為13.88、13.94 cm，由于9號配合比瀝青混凝土更為軟弱，故變形略微增大，但總體差異不大。

圖3 剖面0+140處各工況下瀝青混凝土心墻位移隨高程變化示意

表6 剖面0+140處的特征節點位移

4.2.2 壩體應力分析

表7和圖4總結了剖面0+140處835.00 m高程在各種工況下特征節點的應力情況，由此可知:①各橫剖面大主應力σ1分布規律一致，上下游堆石淺部σ1接近自重應力，量值隨埋深增大而增大；各橫剖面小主應力σ3分布規律同σ1類似，量值隨埋深增大而增大；河床橫剖面σ3未出現拉應力。②由于基礎地形轉折，心墻上游面小主應力σ3的分布存在局部應力波動和應力集中現象；同樣由于右岸地形陡峭，致使瀝青混凝土心墻在右岸壩頂附近出現小范圍的拉應力區 （見圖5）。③正常蓄水位與竣工期的壩體空間主應力分布相似，且工況Ⅱ與工況Ⅳ應力差異微小。④正常蓄水期心墻應力水平較低，約為0.3～0.4 MPa，上下游堆石應力水平在0.7 MPa以下，安全余度較大；3號和9號配合比心墻應力水平無明顯差別，壩體正常運行時應力水平處于正常范圍 （見圖 6）。

表7 典型剖面特征節點在各工況下的應力 MPa

圖4 剖面0+140處的主應力示意 （工況Ⅱ）

圖5 心墻上游面σ3等值線示意 （工況Ⅰ）

5 結論

（1）瀝青心墻和下游過渡區水頭變化劇烈，但滲流量分布規律符合常規；在瀝青心墻下游側自由面急跌至下游水位，而后呈近似水平直線分布，且等于下游水位，說明瀝青防滲效果非常好。

（2）與竣工期相比，正常蓄水期對上游堆石區應力水平影響較明顯，而對下游堆石區影響不大。瀝青混凝土配合比對心墻應力水平影響不大，3號和9號配合比均可作為施工配合比。壩體正常運行時應力水平處于正常范圍。

圖6 剖面0+140心墻應力水平等值線示意

（3）正常蓄水工況下，由于上游浮托力的作用，上游堆石區小主應力顯著降低，而下游堆石區小主應力上升。河床橫剖面σ3未出現拉應力。由于9號配合比瀝青混凝土更為軟弱，因此小主應力微微增大，增加幅度在0.1 MPa以內。

（4）由于右岸820.00 m高程以上岸坡陡峭，竣工期在壩頂瀝青心墻和基巖接觸面處出現小值拉應力區。該區域由于軟硬結合，易出現不協調變位而導致開裂，建議采取必要工程措施。

［1］王為標，Kaare HOEG.瀝青混凝土心墻土石壩:一種非常有競爭力的壩型［C］//第一屆堆石壩國際研討會論文集.北京:中國水利水電出版社，2009:62-67.

［2］中水東北勘測設計研究有限責任公司科學研究院.大石門水電站工程碾壓式瀝青凝土心墻堆石壩應力應變計算報告［R］.吉林:中水東北勘測設計研究有限責任公司，2007.

［3］解衛東，李曉麗.碾壓式堆石壩瀝青混凝土心墻應力位移分析［J］.內蒙古農業大學學報 （自然科學版），2009，30（2）:199-203.

［4］朱伯芳.有限單元原理與應用［M］.北京:中國水利水電出版社，1998:247-252.

［5］呂擎峰，殷宗澤.非線性強度參數對高土石壩壩坡穩定性的影響［J］.巖石力學與工程學報.2004，23（16）:2708－2711.

［6］李廣信.高等土力學［M］.北京:清華大學出版社，2004:50-56.