某CSGR大壩應力和穩定性分析

(四川大學工程設計研究院有限公司，四川 成都 610065)

膠凝砂礫石壩[1](CSGR)是一種新壩型，基本剖面為上下游壩坡大致對稱的梯形，上游壩面采取防滲措施，筑壩材料采用價格低廉的低強度膠凝砂礫石料。這種壩型具有安全性高、抗震性強和對地基條件要求低的優點，而且施工簡便、快速，造價低廉，對環境的負面影響小[2]。目前我國對CSGR壩結構特性的研究尚處于理論分析研究階段，結合實際工程應用的研究成果還不多見[3]。本文介紹了某CSGR壩的應力變形分析成果，可供類似工程參考。

1 工程概況

某水庫大壩由左岸擋水壩段、泄洪溢流壩段、右岸擋水壩段組成。壩軸線長167.00 m，壩頂寬6.00 m，大壩壩頂高程 967.00 m，建基面最低高程892.50 m，最大壩高74.50 m。壩體上游壩坡在高程 956.00 m上為鉛直、以下為1∶0.6的斜坡，下游壩坡為1 ∶0.6，起坡點高程 956.00 m。

某水庫壩址區出露中生界三迭系中統百蓬組地層，巖性主要為砂巖及泥質粉砂巖，表層零散分布有第四系松散堆積物，其中泥質粉砂巖屬較軟巖。

2 常規法計算

采用材料力學法和剛體極限平衡法[4]，對4號壩段進行壩體及壩基強度、壩體及壩基接觸面抗滑穩定性、壩體應力進行分析計算。

4號壩段壩高73.50 m，上游壩面表層采用厚2.50 m的常態混凝土C25W8，壩體內采用膠凝顆粒料強度等級C10，壩基基礎采用厚2.00 m常態C20混凝土墊層，背坡采用厚1.00 m常態混凝土C20。壩體與基巖的接觸面的抗剪強度摩擦系數f=0.6，抗剪斷摩擦系數f′=0.8，C′=0.6 MPa。

壩體穩定計算成果見表1，應力計算成果見表2。

表1 壩體抗滑穩定計算成果

表2 應力計算成果 MPa

注：負值表示壓應力，正值表示拉應力。

由以上計算成果可知，壩體抗滑穩定計算安全系數滿足規范要求，并有較大富余。在各種設計荷載組合下，壩趾應力均為壓應力，且遠小于C20混凝土抗壓強度設計值(9.6 MPa)；從垂直正應力值看，壩基應力分布均勻且應力數值低，壩基巖體有足夠的承載力。

3 有限元計算

某水庫膠凝砂礫石壩ANSYS有限元計算[5]過程中，假定壩體一次性填筑完成，通過一次施加壩體自重荷載來模擬施工過程。假定壩基初始地應力由巖體自重產生，不考慮構造應力的影響，通過施加巖體自重的方法模擬初始地應力。各種工況下壩體位移計算成果見表3，應力計算成果見表4。各工況下壩體及壩基應力與變形見圖1。

表3 各種工況下壩體特征部位位移 cm

圖1 各種工況下壩體及壩基應力與變形

通過分析ANSYS有限元計算成果得到如下的結論。

(1)完建工況下，壩體只有自重作用，無其他外荷載，壩體略向上游變形。豎直位移均為沉降，且隨著高程的增加，豎向位移逐漸增加，最大值為-1.620 cm。對于同一高程而言，由于壩體重心略偏向上游，使得壩體上游面變形大于下游面。壩基巖體的豎向位移隨著壩基深度的增加而減小。

(2)完建工況下，壩體及壩基的最大主應力σ1均為壓應力，由于壩體體型比較對稱，其受力基本按照壩軸線對稱分布，其值隨著高程的增加而減小。

表4 各種工況下壩體特征部位應力 MPa

由于壩體自重的作用，壩體下部壩基的最大主應力大于壩體兩側壩基。在蓄水運行之前，壩體產生向上游變位，使壩踵受壓，其值為-2.839 MPa，壩趾處也受壓，其值為-2.495 MPa，由于壩體體型較勻稱，其兩者值相差不大。壩基與壩體的最小主應力σ3全為壓應力，且量值隨著高程的增加而降低，就同一高程而言，壩體的最小主應力分布較均勻，應力水平均在-0.133 MPa以下。

(3)正常蓄水位工況下，壩體豎向位移均為負值，即向下沉降，且從壩基到壩體，其值隨著高程的增加而增大，最大豎向位移為-1.843 cm，出現在上游壩頂。受上游水荷載的影響，壩體的豎向位移較完建工況(-1.620 cm)有所增加。對于同一高程而言，由于壩體上游坡度較緩，上游壩體水重影響較大，加之上游水推力的作用，使壩體上游面豎直向位移大于壩體下游面，壩體向上游變形；對于壩基巖體，由于上游水位比下游水位高很多，上游壩基巖體所承受的水重及水壓力更大，因而上游壩基巖體的豎直向位移明顯大于下游壩基巖體。在水荷載的作用下，壩體水平位移由完建工況的向上游變位變為正常蓄水位工況的下游變位，由于壩體上游坡度較緩，所承受的水重較大，在壩體中下部有壓縮的可能，使得壩體的水平位移最大值出現在壩體上游面中下部。

(4)在正常蓄水位工況下，壩體與壩基的最大主應力均為壓應力，其值隨著高程的增加而降低，最小值出現在壩頂；就同一高程而言，壩體下游面的最大主應力大于壩體上游面。壩體的最大主應力均為壓應力，由于水壓力及揚壓力的作用，壩踵的最大主應力值為-0.406 MPa，較完建工況的-2.839 MPa大幅降低，壩趾的最大主應力值為-2.737 MPa,較完建工況的-2.495 MPa有所增加。壩體的最小主應力基本為壓應力，而且應力水平較低，小于-0.15 MPa。由于上游水荷載的作用，在壩踵處產生了拉應力，其值為 0.913 MPa；壩基巖體的最小主應力大部分為壓應力，在壩踵附近有應力集中現象，產生了約 0.33MPa的拉應力。

(5)在設計荷載組合下，壩踵和壩趾處垂直應力均為壓應力，應力分布均勻且應力水平低；壩趾處均為壓應力，壓應力值遠小于C15混凝土抗壓強度設計值(7.2 MPa)，因此《膠凝顆粒筑壩技術導則》(SL678-2014)推薦參照重力壩設計規范進行應力計算分析的方法較為安全，可應用于工程設計中。

4 結 語

通過使用材料力學法和有限元法計算，得到了某水庫膠凝砂礫石壩的應力變形成果。結果表明：某水庫膠凝砂礫石壩結構設計較為合理，工程安全性高，抗滑穩定性良好，其應力水平較低，且分布均勻；但在壩踵和壩趾處存在一定的應力集中現象，在工程施工中應確保壩踵、壩趾處的施工質量。