深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩二維有限元分析

胡小虎

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

砂礫石覆蓋層一般結(jié)構(gòu)較松散，具有一定的可壓縮性，容易產(chǎn)生較大的沉降變形。對深厚覆蓋層上修建大壩的研究，越來越受到工程界的重視[1～2]。

新疆托帕水庫工程壩址處覆蓋層深110 m，深度在國內(nèi)較為罕見。本文通過對位于深厚覆蓋層上的新疆托帕水庫工程瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行二維有限元計(jì)算，分析壩體的應(yīng)力、變形規(guī)律，為壩體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

托帕水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜自治州烏恰縣境內(nèi)，工程任務(wù)為灌溉和防洪。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，由瀝青混凝土心墻壩、溢洪洞、泄洪沖沙洞和灌溉放水洞組成。

瀝青混凝土心墻壩壩頂高程2397.50 m，壩頂寬度為8.0 m；最大壩高61.5 m，大壩長431.42 m。上游圍堰與壩體結(jié)合，圍堰頂高程2354.50 m，大壩上下游范圍為310 m（包括上游圍堰）。上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡布設(shè)3級“之”字型上壩公路，路面寬度為8.0 m，下游壩坡之字路間為1∶2.0，最大斷面下游綜合坡度約為1∶2.26，壩體分為上游壩體圍堰砂礫料區(qū)、上游砂礫料區(qū)，上游過渡料區(qū)，瀝青混凝土心墻，下游過渡料區(qū)，下游砂礫料區(qū)。心墻布置型式采用直心墻，為碾壓式瀝青混凝土，心墻寬度為0.5 m～0.7 m。過渡層，位于瀝青混凝土心墻兩側(cè)，過渡料頂高程2395.5 m，靠近心墻側(cè)，最大粒徑80 mm，水平寬度為2.0 m，等寬布置。

碾壓瀝青混凝土心墻為垂直式，心墻軸線距壩軸線上游2.5 m。心墻頂高程2395.5 m，最低墻底高程2336.00 m。心墻頂寬0.5 m，采用沿高程漸變設(shè)計(jì)，心墻最低高程2338.40 m處墻厚0.7 m。心墻與混凝土基座連接處放大，放大高度2.4 m，底寬2.0 m。

本工程瀝青混凝土心墻防滲體河床部位建在110 m深的砂礫石覆蓋層上，下部采用混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理，防滲墻最大深度110.6 m。防滲墻混凝土指標(biāo)為C30W10，厚度1 m。心墻與河床以及岸坡基礎(chǔ)的連接均設(shè)置混凝土基座。河床部位的混凝土基座長321.5 m，寬3.0 m，厚2 m[3]。 壩體典型剖面圖見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖（尺寸單位：mm）

2 計(jì)算模型

2.1 模型簡介

目前國內(nèi)對瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行有限元分析時，常用鄧肯-張模型、南水雙曲線模型、D-P模型和清華的K-G模型等，其中鄧肯-張模型應(yīng)用的最為廣泛。鄧肯-張模型曲線呈雙曲線，能較好地反映應(yīng)力硬化型應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用該模型計(jì)算時，既符合碾壓式瀝青混凝土的力學(xué)特性，又便于計(jì)算分析和成果比較[4]。以下是鄧肯-張E-μ模型的切線模量表達(dá)式為[5]：

其中破壞偏應(yīng)力（σ1-σ3）f符合摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，有：

Ei為初始切線模量，表達(dá)式為：

式中：Pa為大氣壓，取0.1MPa；φ為內(nèi)摩擦角；C為黏聚力；n為模量指數(shù)；K為切線模量系數(shù)；Rf為破壞比。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算所用壩體各部分材料的鄧肯-張模型參數(shù)可通過三軸試驗(yàn)得到，計(jì)算參數(shù)根據(jù)《新疆托帕水庫工程初步設(shè)計(jì)報告》中地質(zhì)篇章選取，見表1。

將式（2）、式（3）代入式（1）得：

表1 計(jì)算參數(shù)表

2.3 幾何建模

根據(jù)大壩進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，并對大壩施工順序進(jìn)行模擬。在模擬時，先進(jìn)行防滲墻施工，再進(jìn)行圍堰施工，最后進(jìn)行壩體填筑。其中壩體分為15層填筑。

圖2 模型整體網(wǎng)格圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 壩體應(yīng)力應(yīng)變

在竣工期，壩體上游最大位移為0.15 m，指向上游方向；下游最大水平位移為0.15 m，指向下游方向。壩體豎向垂直位移為1.23 m，位于壩體底部，約占壩高和覆蓋層深度的0.71%。壩體的第一、第三主應(yīng)力均出現(xiàn)在壩體底部，第一主應(yīng)力為1.10 MPa，第三主應(yīng)力為0.50 MPa。

在滿蓄期，因水壓力的作用，壩體向下游移動，下游最大水平位移為0.41 m。壩體豎向垂直位移為1.29 m，位于壩體底部，約占壩高的0.75%。壩體的第一、第三主應(yīng)力均出現(xiàn)在壩體底部，第一主應(yīng)力為1.21 MPa，第三主應(yīng)力為0.77 MPa。

3.2 心墻應(yīng)力應(yīng)變

在竣工期，心墻的最大水平位移為0.008 m，最大豎直位移為0.45 m。第一主應(yīng)力為1.23 MPa，第三主應(yīng)力為0.94 MPa。

在正常運(yùn)行期，心墻的最大水平位移為0.32 m，最大豎直位移為0.45 m。第一主應(yīng)力為1.49 MPa，第三主應(yīng)力為1.18 MPa。最大應(yīng)力水平在心墻底部，為0.19 MPa。

3.3 防滲墻應(yīng)力

竣工期：防滲墻第一主應(yīng)力為2.16 MPa，第三主應(yīng)力為17.8 MPa；

正常運(yùn)行期期：防滲墻第一主應(yīng)力為2.00 MPa，第三主應(yīng)力為16.4 MPa。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果表

圖3 竣工期壩體水平位移(m)

圖4 正常運(yùn)行期壩體水平位移(m)

圖5 竣工期壩體沉降位移(m)

圖6 正常運(yùn)行期壩體沉降位移(m)

4 結(jié)語

對建于深厚覆蓋層的托帕水庫大壩進(jìn)行二維有限元計(jì)算，結(jié)果表明：計(jì)算得出的大壩變形符合基本規(guī)律，因深厚覆蓋層的存在，最大沉降位置發(fā)生在大壩下部，沉降量約為壩高及覆蓋層深度的0.75%。瀝青混凝土心墻大小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力水平值為0.7，小于1，表明大壩及心墻在竣工期與蓄水期均不會發(fā)生破壞。防滲墻應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)。

本次計(jì)算結(jié)果合理，應(yīng)力、位移數(shù)值、分布規(guī)律均符合國內(nèi)外工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。工程已于2018年開工建設(shè)。