回龍場水庫心墻堆石壩壩體應力應變計算及分析

張亞梅，劉鐔璞

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010）

土石壩對地形地質條件具有較好的適應性，可充分利用建筑物開挖料筑壩，能夠就地取材，施工管理方便等優點，在水利工程中被廣泛采用。滲流、壩坡穩定性分析及壩體應力應變分析的可靠程度對土石壩的安全性具有重要影響。基于此，本文對龍河流域回龍場狹窄河谷修建的黏土心墻堆石壩展開應力應變有限元分析。

1 工程概述

龍河流域回龍場水庫工程總庫容1816萬m3，樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、引水（兼導流）建筑物以及壩后電站組成。攔河大壩為粘心墻堆石壩，最大壩高85 m，壩頂寬度10 m，最大壩底寬度335.29 m，壩頂長度172.00 m。上游壩坡坡比為1∶2.0，下游壩坡綜合坡比為1∶2.2。上游坡在高程808.00 m處設2.0 m寬馬道，上游面采用20 cm厚混凝土預制塊護坡，上游壩腳結合全年擋水圍堰布置，圍堰頂高程781.90 m，圍堰頂設置6 m寬馬道，圍堰上下游坡比均為1∶2.5。下游壩坡與進廠公路相結合，設縱坡9.73%的“之”字形馬道，馬道寬度4.5 m，下游坡面采用框格梁植草護坡，下游壩腳處設塊石排水棱體。

2 有限元計算模型及參數

應力變形計算對壩體填料采用鄧肯-張非線彈性模型[1]。

2.1 計算參數

壩體填筑材料采用鄧肯-張 E-μ模型，粘土心墻參數采用鄧肯-張E-B模型，壩體填筑材料的參數，見表1，粘土心墻參數，見表2。

表1 鄧肯E-μ模型參數表

表2 粘土心墻參數表

2.2 單元劃分及施工加載

（1）單元劃分

本次采用壩體最大橫斷面計算，最大壩高為85 m，壩體和壩基的單元劃分主要采用四邊形單元及少量的三角形單元，共4146個單元，4155個結點。

圖1 應力應變分析斷面材料分區及網格劃分圖

（2）荷載簡化及施工加載

用增量法來模擬施工中的逐級加荷過程。增量法的一個突出優點就是可以逐級地施加荷載。這不僅能反映出施工過程中各階段的應力和變形情況，而且能體現結構本身隨施工過程的變化，更好的體現材料的非線性，因而更符合實際。

計算時把荷載分成10級，其中壩體施工為8級，蓄水為第9級～10級，因上游塊石填筑的滲透系數較大，而考慮把上游的水荷載直接作用到心墻上，上游按正常蓄水位830.0 m計算，不考慮下游尾水作用。筑壩材料按自重考慮。對施工期的計算擬定8級荷載由下向上依水平層次加荷到壩頂，每層填筑時間為60天。對蓄水期蓄水到800.0 m、830.0 m水位時分別歷時30天。

3 計算結果及分析

對不同工況下壩體應力變形進行計算分析，壩體應力變形最大值，見表3。

表3 壩體應力變形最大值

3.1 水平位移

壩體水平位移表現為以心墻為界偏向兩側，竣工時，壩體向上游的最大水平位移為11.9 cm、向下游的最大水平位移為16.6 cm，發生在上下游壩體中部高程770 m～800 m處（約1/3壩高），大致呈對稱分布。蓄水期隨水位上升，壩體水平位移逐漸向下游發展，蓄水到830 m的水位后，壩體向下游最大水平位移增大至28.9 cm，向上游水平位移則減小至2.4 cm。

3.2 豎向位移

壩體在施工過程中的豎向位移均為下沉，并隨填筑體的升高而增大。因下游壩體內部填有剛度相對較小的碾壓石渣料，使得下游壩體的豎向位移略大于上游壩體。最大豎向位移值均出現在粘土心墻內高程810 m處，約2/3壩高附近。計算結果表明：心墻的豎向位移較堆石體大，竣工期最大沉降為57.7 cm；蓄水位800 m時，對應豎向位移為53.4 cm；蓄水位830 m時，對應豎向位移為47.7 cm。沉降率分別為0.068%、0.063%、0.056%。

3.3 壩體應力

由計算結果可以看出，應力等值線與壩坡趨于平行，從壩頂向下應力逐漸加大，同一高程處心墻部位的應力值明顯低于相鄰壩體，存在“拱效應”。因為心墻的模量低于壩殼料，同一高程處心墻的變形量比堆石體大，壩體與心墻之間存在變形不協調現象，導致壩體與心墻應力重分布。心墻的部分自重應力會轉移到兩側壩體，引起心墻的豎向應力低于其自重應力，而心墻兩側壩殼的豎向應力高于其自重應力，出現“拱效應”，但并不顯著[2]。

完建期心墻上游側和下游側壩體應力的分布基本相同；蓄水期由于水壓力作用，壩體應力發生重分布，隨著水位升高，上游壩殼的大、小主應力都逐漸降低，下游壩殼的應力略有增大。壩殼應力最大區產生于靠近心墻底兩側的反濾料中，竣工期大、小主應力極值分別為1.36 MPa和0.57 MPa；蓄水至水位830 m時，最大、最小主應力極值分別為1.60 MPa和0.85 MPa。

3.4 應力水平

大壩壩體應力水平等值線分布圖，見圖2。

圖2 大壩應力水平圖（單位:kPa）

通過計算結果看出，大壩完建時壩體應力水平不高，絕大部分都小于0.8。在蓄水過程中，隨著水位升高，心墻與壩殼的應力水平S有所增加，壩體中出現高應力水平的區域主要在壩體與心墻上游接觸面附近，其范圍較大，應力水平的數值較高，但均小于1。

造成該區域較高應力水平的原因有兩個：①心墻和壩體的模量差別較大，造成在該區域發生較大的不均勻沉降，較大的錯切變形導致該處剪應力較大；②在壩體蓄水壓力的作用下，心墻向下游移動造成該區域的最小主應力大幅下降。

完建期、蓄水期工況下的應力水平極值分別為0.71、0.90，心墻及壩殼料大部分區域應力狀態良好，故蓄水期及運行期壩體是穩定的。

4 結語

壩體應力應變分析的主要目的是:①確定壩體在蓄水期和施工結束時，可能產生拉應力區、剪切破壞區及裂縫區；②根據壩體應力和變形的計算結果分析壩坡穩定性；③為心墻提供設計依據；④根據計算的壩體鉛直向最大位移確定預留沉降值。通過對中型水庫進行壩體有限元應力應變分析計算，對大壩設計以及大壩運行期的穩定安全具有重要的意義。