300 m級超高直心墻和斜心墻土石壩應力變形分析

葛立立，褚福永*，金 偉，白 明

（1.麗水學院工學院,浙江麗水323000;2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川成都610072）

土石壩因其能夠適應復雜地質條件，在深厚覆蓋層等復雜地質條件下常常被作為首選的壩型，有時甚至是唯一的選擇。近年來，隨著筑壩技術的快速發展，國內外土石壩越建越高，正向著300 m級高度發展。國外已建的300 m級土石壩有前蘇聯羅貢壩（最大壩高335 m）和努列克壩（最大壩高300 m）等[1]；國內已建或設計論證中的300 m級土石壩有雙江口水電站心墻堆石壩（最大壩高314 m）和糯扎渡水電站心墻堆石壩（最大壩高261.5 m）等[2]。

然而，目前300 m級超高土石壩設計經驗還較少，設計和計算理論尚不成熟，還存在一些亟待深入研究的關鍵性技術問題。關于變形協調問題、如何減輕超高心墻壩的應力拱效應及增強心墻抗裂能力等，是人們關心的問題[3-10]。

另一方面，直心墻和斜心墻為土石壩的主流壩型，在實際中幾乎每個土石壩工程均需進行直心墻和斜心墻方案的比選，分析比較這兩種壩型各自特點及相應的規律，為選擇更為合適的壩型提供理論依據。

為此，本文結合某300 m級心墻土石壩工程的直心墻和斜心墻兩種方案的靜力有限元計算結果，對這兩種壩型在靜力作用下應力變形特性進行了對比分析，初步得出一些有益的結論，為類似工程提供參考。

1 計算模型與計算參數

某300 m級超高心墻堆石壩最大壩高295 m，壩址河床覆蓋層厚度較薄，實測最大厚度為12.4 m，故將壩體建基面的河床覆蓋層全部挖除。本文對兩種壩型（直心墻和斜心墻土石壩）的土石壩進行了計算，兩種壩的典型斷面見圖1。在三維有限元計算中，考慮了壩體分期填筑及蓄水的過程。壩體堆石料采用鄧肯-張E-v模型，計算模型參數如表1所示。

圖1 典型斷面及材料分區

三維有限元計算分29級加荷，對施工及先期蓄水逐級加荷過程進行模擬。其中，1～23級為壩體施工，24～29級為蓄水至正常高水位2 865 m高程。計算考慮蓄水引起的壩殼濕化變形。采用雙線法計算濕化變形，濕化后堆石料的摩擦角較表1中的數值小2度，鄧肯參數K減小15%，其他參數同表1。

表1 鄧肯-張E-ν模型計算參數

2 計算結果分析

對直心墻和斜心墻兩種壩型的心墻土石壩進行了三維有限元計算，其變形最大值及相關應力統計值列于表2。由表2可以看出，兩種壩的應力變形性態有一定程度的差異，以下重點分析壩體應力變形性狀。

表2 三維有限元計算的蓄水期大壩主要應力變形值

2.1 壩體的變形性狀

圖2～圖3分別給出了斜心墻和直心墻壩蓄水期壩體的沉降及順河向水平位移的等值線圖。由圖2（a）可以看出，直心墻壩蓄水期壩體沉降較為對稱，上下游沉降基本一致，心墻沉降較兩側堆石的要大。最大沉降值位于心墻中部略偏下游處，高程位置約在1/2壩高處，最大沉降為294.24 cm，占壩高（295 m）的0.997%。

由圖2（b）可以看出，斜心墻壩的壩體沉降也呈中間大兩邊小的規律，但最大沉降偏下游堆石部位，高程位置也約在1/2壩高處。心墻傾斜導致上游壩體堆石料對心墻的垂直壓力更大可能是最大沉降向下游偏移的主要原因。斜心墻壩壩體最大沉降為324.68 cm，占壩高的1.1%。

圖2 蓄水期壩體沉降等值線（單位：cm）

由圖3可以看出，兩種心墻壩下游壩殼的位移均比上游壩殼的位移大，位移最大值均約在1/2壩高處。其中，直心墻壩向下游的位移最大值為113.75 cm，較向上游位移相應值的增幅為20.8%。斜心墻壩向下游的位移最大值為118.55 cm，較向上游位移相應值的增幅為29.5%。

圖3同時顯示，斜心墻壩向上下游的位移均大于直心墻的相應值，其增幅分別為2.8%和4.2%。心墻拱效應的強弱不同可能是兩種壩順河向水平位移之間存在差別的主要原因。

圖3 蓄水期壩體順河向水平位移等值線（單位：cm）

2.2 壩體的應力性狀

圖4～圖6給出了兩種心墻壩壩體的大、小主應力及應力水平等值線。由圖4（a）和圖4（b）可以看出，蓄水期直心墻壩和斜心墻壩心墻內的大主應力明顯比反濾層、過渡層內的大主應力低，兩種壩型的心墻均存在一定的應力拱效應。

圖4 蓄水期壩體大主應力等值線（單位：MPa）

由表2可知，斜心墻壩蓄水期的σz/γh比值較直心墻的相應值增幅為7.57%，說明斜心墻壩的拱效應比直心墻壩低。

由圖5（a）和圖5（b）可以看出，蓄水期直心墻壩和斜心墻壩心墻內的小主應力均大于零，即沒有出現拉應力，不會產生拉裂縫。圖5（a）和圖5（b）同時顯示，直心墻壩的反濾、過渡區及心墻下部靠近基座位置均出現應力集中，斜心墻反濾及過渡區也出現應力集中。因此，竣工期做好這些部位的填筑工作對保證壩體的安全極為重要。

圖5 蓄水期壩體小主應力等值線（單位：MPa）

由圖6（a）和圖6（b）可以看出，蓄水期直心墻壩和斜心墻壩心墻內及下游壩殼的應力水平均整體不高，大部分區域在0.5以下，下游壩殼的應力水平大部分區域在0.8以下。

由圖6（a）和圖6（b）還可以看出，蓄水期直心墻壩和斜心墻壩上游壩殼的應力水平均較高，大部分區域超過了0.8，有些區域達到了1.0。但由于心墻及下游壩殼對上游壩殼變形的約束作用，上游壩殼的穩定性仍可以保持良好。

圖6 蓄水期壩體應力水平等值線

為研究兩種壩型抗水力劈裂的差異性，本文采用文獻［4］中的總應力法判斷水力劈裂的發生，即采用心墻外水壓力是否超過心墻上游處土中的中主應力來判斷水力劈裂發生的可能性，同時考慮心墻土抗拉強度。

整理出兩種壩型心墻上游面各單元的u/（σz+σt）（其中，u為心墻上游面水壓力，σz為對應高程處心墻單元的豎向應力，σt為心墻土的抗拉強度，這里近似取為黏聚力）。分析發現，直心墻壩的u/（σz+σt）比值均在0.9以下，而斜心墻壩的u/（σz+σt）比值在0.8以下。我們同時整理出了直心墻壩與斜心墻壩上游面u/（σz+σt）的平均值，其分別為0.467和0.445。因此可以認為，斜心墻土石壩的抗水力劈裂能力強于直心墻土石壩。

3 結論

超高土石壩常用壩型有直心墻土石壩和斜心墻土石壩。本文通過對某300 m級直心墻和斜心墻超高土石壩的三維有限元計算結果的對比分析，重點研究了兩者壩體應力變形性態的差異，主要得到以下結論：

（1）直心墻壩壩體的水平位移和沉降比斜心墻壩的相應值略小。

（2）兩種壩均存在心墻拱效應，但斜心墻壩的σz/γh平均值均大于直心墻壩的相應值，說明斜心墻土石壩的拱作用比直心墻土石壩的弱。

（3）蓄水期直心墻壩和斜心墻壩心墻內的小主應力均大于零，不會產生拉裂縫。但應注意局部出現的應力集中現象。

（4）蓄水期兩種壩的心墻及下游壩殼整體應力水平均不高，上游壩殼應力水平較高。由于心墻及下游壩殼對上游壩殼變形的約束作用，上游壩殼可以保持良好的穩定性。

（5）總應力法判斷結果表明，斜心墻壩抗水力劈裂能力優于直心墻壩。