某堆石壩瀝青混凝土心墻接頭變形協調性計算研究

朱鵬飛

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

0 引言

瀝青混凝土心墻結構防滲形式在國外發展較早，在我國起步較晚[1]。如今，國內外修建了大量的瀝青混凝土心墻堆石壩，其設計、施工和試驗規程、規范體系也逐漸完善，施工技術方法已經日趨成熟。在大壩施工和運行過程中，瀝青混凝土心墻在陡邊坡接頭部位可能發生較大的剪切位移[2]，因此，瀝青混凝土心墻在陡邊坡接頭部位需要具有較大的變形能力。高陡邊坡處瀝青混凝土心墻接頭是一個關鍵部位，砂質瀝青瑪蹄脂處在水泥混凝土基座和瀝青混凝土心墻之間起膠結作用，所以其厚度對粘結性能的好壞有影響[3]。長期蠕變試驗更接近大壩工程施工的實際情況。在高陡邊坡條件下，如何保證瀝青混凝士心墻與水泥混凝土墊座良好的連接、連接接頭能夠適應壩體變形和在地震條件下的變形而不發生裂縫滲漏是一個很值得研究的課題。

1 工程概況及幾何模型

1.1 工程概況

某瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高171.2 m，瀝青混凝土心墻最大高度157.5 m。壩址處河谷狹窄，兩岸邊坡不對稱，尤其是左岸水泥混凝土基座邊坡設計為1∶0.33。在大壩施工和運行的過程中，瀝青混凝土心墻在陡邊坡接頭部位可能發生較大的剪切位移，而且在高陡邊坡壩肩部位容易產生拉應力導致拉伸破壞，這就需要瀝青混凝土心墻在陡邊坡接頭部位具有較大的變形能力，以防發生剪切和拉伸破壞。本文對4種不同配合比瀝青混凝土進行長期蠕變試驗，得出蠕變穩定模量，對大壩采用簡化的二維有限元計算方法，計算分析瀝青混凝土心墻沿心墻軸線方向的變形和應力應變，分析左岸陡邊坡基座水平距離10 m 范圍內調整心墻瀝青混凝土油石比對心墻與基座的接頭部位性能的影響。

1.2 幾何模型

本文主要對某瀝青混凝土心墻進行簡化，建立幾何模型，給出了模型計算的參數，用有限元軟件GeoStudio 中的SIGMA/W 模塊進行沿心墻軸線方向的簡化二維線性計算，心墻周圍水泥混凝土基座可以看成是剛性材料，不計其變形，所以建模計算分析僅考慮瀝青混凝土心墻的變形和應力應變情況。瀝青混凝土心墻頂高程為2 333.0 m，基座頂高程2 175.5 m，瀝青混凝土心墻的最大高度為157.5 m，心墻分19 層進行施工。瀝青混凝土心墻網格劃分見圖1。

圖1 心墻剖面網格劃分圖

為了研究瀝青混凝土心墻與陡邊坡基座接頭部位的變形和應力應變情況，瀝青混凝土心墻分為兩個區域，其中左岸陡邊坡基座水平距離10 m范圍內瀝青混凝土心墻按不同油石比設置性能可變區，而心墻其余部分為推薦油石比瀝青混凝土。通過調整性能可變區瀝青混凝土的油石比來研究不同油石比對瀝青混凝土心墻與陡邊坡接頭部位變形和應力應變性能的影響，為優化接頭設計提供計算成果支持。瀝青混凝土心墻假定為線彈性材料，材料參數見表1。

表1 模型計算參數

2 計算結果

2.1 瀝青混凝土心墻沿心墻軸線方向的變形和應力應變

瀝青混凝土心墻沿心墻軸線方向的變形和應力應變計算結果見表2。

由表2 可以看出，瀝青混凝土心墻沿心墻軸線方向左岸側最大水平位移為0.06 m，位于約5/6 壩高處；右岸側最大水平位移為0.15 m，位于約1/2壩高處。心墻最大垂直位移為0.99 m，位于心墻中部約1/2 壩高處。心墻最大水平應力為937.6 kPa，位于約1/5壩高處，靠近左岸側；心墻頂部與兩岸接頭處有較小的拉應力。心墻最大垂直應力為1 576.3 kPa，位于約1/4 壩高處，靠近右岸側。心墻左岸側最大剪切應力為431.2 kPa，位于約1/3壩高處；心墻右岸側剪切應力最大值為193.2 kPa，位于約1/3 壩高處。心墻左岸側最大水平應變為0.65%，為拉應變，位于約1/4壩高處；心墻右岸側最大水平應變為0.63%，位于約1/4 壩高處。心墻最大垂直應變為2.65%，位于約1/4 壩高處，靠近右岸側。心墻左岸側最大剪切應變為3.68%，位于約1/3 壩高處；心墻右岸側最大剪切應變為1.65%，位于約1/3壩高處。

表2 瀝青混凝土心墻的計算結果

從瀝青混凝土心墻的變形和應力應變計算結果來看，其數值符合堆石壩瀝青混凝土心墻一般規律，可以作為進一步計算分析的依據，也說明該瀝青混凝土心墻堆石壩施工和運行是安全的。

2.2 調整陡邊坡部位瀝青混凝土性能對心墻性能的影響

為了使左岸陡邊坡部位瀝青混凝土能更好地適應較大的變形，對不同油石比瀝青混凝土進行長期蠕變試驗，確定其長期蠕變穩定模量。調整左岸陡邊坡基座水平距離10 m 范圍內心墻瀝青混凝土油石比，研究其對瀝青混凝土心墻性能的影響。4種不同油石比瀝青混凝土的蠕變穩定模量對心墻性能影響的計算結果見表3。

由表3 可以看出，隨著左岸陡邊坡基座水平距離10 m 范圍內心墻瀝青混凝土的穩定蠕變模量逐漸減小，心墻左岸側最大水平位移基本不變，為0.06 m，右岸側最大水平位移從0.13 m 逐漸增大到0.21 m；最大垂直位移從0.96 m逐漸增大到1.16 m；當心墻瀝青混凝土的穩定蠕變模量分別為36.1、27.4、19.1 MPa時，最大水平應力基本不變，為944.5 kPa左右，但當穩定蠕變模量為10.3 MPa時，最大水平應力為1 061.3 kPa；最大垂直應力從1 556.2 kPa逐漸增大到1 913.2 kPa；心墻左岸側最大剪切應力從446.3 kPa 逐漸減小到363.1 kPa，右岸側最大剪切應力從193.2 kPa 逐漸增大到199.3 kPa，變化不大；心墻左岸側最大水平應變從0.47%增大到2.04%，變化較大，當穩定蠕變模量分別為36.1、27.4、19.1 MPa時，右岸側最大水平應變基本不變為0.63%左右，當穩定蠕變模量為10.3 MPa時，最大水平應變為0.79%，較明顯的增大；最大垂直應變從2.62%增大到4.00%；心墻左岸側最大剪切應變從2.78%增大到9.21%，變化較大，右岸側最大剪切應變基本不變為1.66%左右。

表3 不同油石比瀝青混凝土的蠕變穩定模量對心墻性能影響的計算結果

由以上計算結果可知，當油石比增大即蠕變穩定模量減小時，左岸陡邊坡基座水平距離10 m范圍內瀝青混凝土心墻變形和應力應變呈現有規律的變化，沒有出現突變。因此，對左岸陡邊坡基座水平距離10 m 范圍的瀝青混凝土心墻可以微調油石比以提高瀝青混凝土心墻的變形能力，而不宜過大提高油石比以免引起較大剪切應變。

2.3 推薦配合比靠近陡邊坡不同距離處的變形和應力應變分析

計算分析推薦油石比為6.8%（蠕變穩定模量27.4 MPa）左岸陡邊坡基座水平距離分別為2.5、5.0、7.5、10.0 m處的心墻變形和應力應變情況（見表4）。

表4 推薦油石比左岸陡邊坡基座不同水平距離心墻變形計算結果

2.4 不同油石比左岸陡邊坡不同水平距離處的變形和應力應變分析

調整左岸陡邊坡基座水平距離10 m 范圍內心墻瀝青混凝土油石比，分別計算分析左岸陡邊坡基座水平距離2.5 m和10 m處心墻的變形和應力應變情況（見表5）。

表5 不同油石比左岸陡邊坡基座一定水平距離心墻變形計算結果

由表5 可以看出，調整左岸陡邊坡基座水平距離10 m范圍內心墻瀝青混凝土油石比，對瀝青混凝土心墻和左岸陡邊坡基座水平距離10 m 范圍內心墻的變形和應力應變影響不大。對左岸陡邊坡基座水平距離2.5 m和10 m處心墻的變形和應力應變影響進行分析，結果表明：對左岸陡邊坡基座水平距離10 m處心墻的變形和應力應變影響不大，對左岸陡邊坡基座水平距離2.5 m處心墻的影響主要體現在對剪切應變的影響。因此，為了提高瀝青混凝土心墻在左岸陡邊坡接頭部位的變形能力，可以在瀝青混凝土油石比6.8%的基礎上提高0.2%，即7.0%。

3 結論

（1）瀝青混凝土心墻高壩施工和運行是安全的。

（2）調整左岸陡邊坡基座水平距離10 m 范圍內心墻瀝青混凝土油石比，對瀝青混凝土心墻和左岸陡邊坡基座水平距離10 m 范圍內心墻變形和應力應變影響不大。為了提高瀝青混凝土心墻在左岸陡邊坡接頭部位的變形能力，可以考慮將左岸陡邊坡基座水平距離10 m 范圍內心墻瀝青混凝土油石比由6.8%提高為7.0%。