填筑方法及水位變化對土石壩應力變形的影響

符碧君

（景德鎮玉田水庫管理處，江西 景德鎮 333000）

對于巖土體材料，水是影響其抗剪性質最主要的因素，土石壩在長期的水位變化過程中，壩體內部發生滲流作用，影響著土石壩材料特性，進而對土石壩的穩定性造成影響[1-3]。

由于巖土體特殊的性質，其變形處于非線性的，這種非線性變化不僅與自身材料屬性有關，還受到外在荷載等的影響[4-5]。土石壩的應力應變受到多種因素的影響，土石壩的填筑方式對土石壩的變形與應變影響較為明顯，不同的水位情況下，土石壩的應力應變也將有很大差異[6-8]。

本文利用有限元Abaqus軟件，對黏土心墻壩體進行分析，對不同填筑方式和水位變化下的土石壩進行應力應變分析。

1 模型的建立及模型參數

某小型農田水庫總庫容900萬m3，主要任務是為該地區的農田提供灌溉需要，大壩高50m，正常情況下，庫容量810萬m3，后期因人口遷移，村莊合并，農田統一管理，原水庫庫容難以滿足實際灌溉需求，需要對水庫進行擴建。擬設計水庫庫容1600萬m3，擬采用摻礫黏土心墻土石壩，壩頂寬6m，壩高50m，心墻采用混凝土蓋板，設置兩層反濾層，壩殼料為堆石體。

對研究區勘察資料進行整理，選取庫岸的某個典型斷面進行分析，對坡面進行適當簡化，庫岸斷面結構如圖1。

圖1 庫岸地質剖面圖

庫岸岸坡為黏土心墻土石壩，依據相關試驗及規范[9]，對巖土體相關物理參數進行經驗取值，土體采用非線彈性的鄧肯張模型，壩坡相關的物理力學參數如表1。

表1 坡體相關物理力學參數

由于巖土體的非線性特性，土石壩的變形受到多種因素影響，土石壩的填筑方法對其應力變形影響較大，對利用Phase2有限元軟件，對不同填筑方法情況下黏土心墻土石壩進行滲流和穩定性分析。

2 加載與分層填筑

2.1 一次性加載

在壩體填筑過程中，采用的加載方式為一次性加載，即在壩體填筑完成后對壩體施加荷載。一次性加載時壩體最大斷面如圖2。

圖2 一次性加載壩體最大斷面

根據圖2得出，①壩體的最大豎向位移為壩體中部，最大位移38.72cm，壩體豎向位移以壩軸線為對稱分布，離壩體中部越遠，壩體的沉降量越小，壩高越大，豎向沉降量越大；②壩體水平方向位移有上游向下游移動，壩體中部位移沒有發生明顯變化，壩體上游水平位移最大值7.41cm，下游水平位移最大值7.41cm；③壩體的最大主應力以壩軸線為對稱分布，壩腳的最大主應力最小，為0.199MPa，壩軸線底部的最大主應力最大，為0.392MPa，大壩處于受壓狀態；壩體的最小主應力以壩軸線為對稱分布，壩腳的最小主應力最小，為7.123kPa，土石壩心墻與壩體連接處最小主應力最大，為0.844MPa，根據云圖顯示，土石壩呈現拱效應。

2.2 分層填筑

在壩體填筑過程中，采用的加載方式為分層加載，共分為5級，每級加載10m。施工期分層加載時壩體最大斷面如圖3。

圖3 分層加載時壩體最大斷面

由圖3可知：①壩體的最大豎向位移為壩體中部，最大位移21.52cm，壩體豎向位移以壩軸線為對稱分布，離壩體中部越遠，壩體的沉降量越小；②壩體水平方向位移有上游向下游移動，壩體中部位移沒有發生明顯變化，壩體上游水平位移最大值2.53cm，下游水平位移最大值2.53cm；③壩體最大主應力以壩軸線為對稱分布，壩腳的最大主應力最小，為0.132MPa，壩軸線底部的最大主應力最大，為0.443MPa，大壩處于受壓狀態；壩體的最小主應力以壩軸線為對稱分布，壩腳的最小主應力最小，為8.124kPa，土石壩心墻與壩體連接處最小主應力最大，為0.877MPa，土石壩呈現拱效應。

2.3 對比分析

針對上述兩種不同加載方式下壩體計算結果，進行對比分析。計算結果對比如表2。

表2 計算結果對比

由表2可知，不同加載方式情況下，土石壩的沉降量有明顯區別，水平位移相差不大，最大主應力和最小主應力分布情況大致相同，沿壩軸線對稱分布。由此可見，土石壩在填筑過程中，采用分層填筑方式，能有效降低土石壩的沉降，減小土石壩變形量。

3 蓄水過程

分層填筑土石壩后，蓄水過程中，庫水位上升，計劃40d蓄水到40m高度，對土石壩應力應變進行分析。

3.1 位移分析

蓄水時壩體最大斷面位移計算如圖4。

圖4 蓄水時壩體最大斷面位移計算

土石壩經過分層填筑后，水庫進行蓄水，蓄水結束后壩體最大豎向位移21.79cm，最大水平位移3.43cm，相比于竣工期，豎向位移稍有增加，水平位移增加量較大，由此可知，壩體的沉降主要由填筑方式引起的。

3.2 應力分析

蓄水時壩體最大斷面應力計算如圖5。

圖5 蓄水時斷面應力計算

從圖5可知，水庫蓄水后，壩體最大壓應力0.461MPa，壩體最大拉應力0.322MPa，蓄水后，壩體的最大主應力分布不再呈現對稱分布；水庫蓄水后，最小主應力為壓應力，大小9.09MPa，相比于竣工期稍有提高，最小主應力為拉應力，大小0.171MPa。水庫蓄水后，應力分布不再呈現對稱分布，拱效應消失。

4 水位下降過程

水庫蓄水后，逐漸降低庫水位，對庫水位下降過程中的土石壩進行應力應變分析。

4.1 位移分析

水位下降時壩體最大斷面位移計算如圖6。

水位下降后，壩體的最大豎向位移為22.96cm，相比于蓄水時的最大豎向位移21.79cm有所增加，而水平向位移幾乎不變。

圖6 水位下降時壩體最大斷面位移計算

4.2 應力分析

水位下降時壩體最大斷面應力計算如圖7。

水位下降后，在壩體上游最大主應力和最小主應力有明顯變化，但在壩體下游，最大主應力和最小主應力幾乎不變。

5 結語

（1）利用有限元Abaqus軟件，對黏土心墻壩體進行分析，對不同填筑方式和水位變化下的土石壩進行應力應變分析。

（2）對一次性加載和分層加載兩種方式下的土石壩進行應力應變分析，計算得到分層加載時，土石壩的沉降量21.52cm，遠遠低于一次性加載時的沉降量，分層加載的填筑方式更適合工程需要。

（3）水庫蓄水后，土石壩豎向位移無明顯變化，水平位移增加較大，上游壩體的應力影響較大，下游壩體應力影響較小，拱效應消失。

（4）水位下降后，土石壩的豎向位移和水平位移無明顯變化，在壩體上游最大主應力和最小主應力變化明顯，但在壩體下游，最大主應力和最小主應力均無明顯變化，水位下降時對上游壩坡的穩定不利，需要加強防護。