瀝青混凝土心墻壩基座坡角研究

范冬楊，王俊杰，李玉橋

(1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074；2.重慶交通大學材料科學與工程學院，重慶 400074；3.廣東珠榮工程設計有限公司重慶分公司，重慶 400020)

瀝青混凝土心墻壩垂直防滲技術已較為成熟，在工程中一般使用混凝土防滲墻[1]?；炷粱B接心墻與防滲墻，組成瀝青混凝土心墻壩防滲結構，受力條件十分復雜，其應力變形對結構安全評價至關重要。

目前，許多學者針對瀝青混凝土心墻壩防滲結構應力變形進行了深入研究。沈振中等[2]針對覆蓋層土體與防滲墻之間的應力變形情況，建議了合理的基座和防滲墻的連接型式。陸嘉偉等[3]以某采用塑性混凝土心墻的土石壩為例，研究了壩體和心墻在不同工況下的應力變形。趙葉等[4]進行了混凝土防滲墻應力關于其厚度和E-B模型主要參數等指標的敏感性分析。白新革等[5]研究了不同因素對廊道應力變形的影響，歸納了壩基廊道應力變形規律。

上述成果針對心墻、防滲墻、廊道的應力變形進行了深入分析研究，并總結了相應規律。但針對基座的研究較少。由于混凝土基座比心墻寬，基座上覆土體與兩側壩體之間易產生不均勻沉降，導致土體剪切破壞與基座斷裂。彭兆軒等[6]、秦強等[7]、黃華新等[8]選取不同的影響因素對基座應力變形進行了分析，基座體型會對心墻壩基座及防滲墻應力變形產生明顯影響。

鑒于此，以重慶巫山廟堂水庫瀝青混凝土心墻壩為例，采用非線性有限元法研究了基座正梯形部分上游側、下游側坡角變化以及兩側坡角同時變化時瀝青混凝土心墻壩基座應力變形演化規律，并基于研究結果提出改善基座應力的對策，可供同類工程參考。

1 工程概況與模型建立

1.1 工程概況

重慶巫山廟堂水庫壩體為瀝青混凝土心墻壩，壩高達107 m。堆石區采用灰巖料填筑。瀝青混凝土心墻為直心墻，心墻頂部寬度0.6 m，底部寬度1.2 m，距基座3 m范圍心墻局部加厚逐漸至3.0 m。心墻上、下游設置有過渡層，過渡層水平寬度為3.0 m。為滿足擋水建筑物的防滲要求，在心墻基座下面設1.85 m寬的混凝土防滲墻，最大深度達16.5 m，與混凝土心墻、基座組成大壩防滲結構。壩體典型橫剖面見圖1。

圖1 大壩典型橫剖面

1.2 計算模型

計算模型采用中點增量法對非線性計算過程進行迭代[9]。參照類似工程經驗[10]，壩體填料、覆蓋層、心墻采用鄧肯-張E-B模型模擬，混凝土基座、防滲墻和基巖采用線彈性模型模擬。壩體填料、覆蓋層、瀝青混凝土心墻的E-B模型參數參照《重慶市巫山縣廟堂水庫壩體填筑料試驗研究》。模型材料參數見表1、2。

表1 E-B模型材料計算參數

表2 線彈性模型計算參數

計算區域共劃分為8 349單元，8 428節點，網格劃分見圖2。

圖2 網格劃分

根據壩體填筑順序及蓄水期水位依次激活相應單元或邊界條件對2個工況進行模擬。整個模擬過程分為50級，第1級為基巖和壩基覆蓋層，由于壩基覆蓋層天然固結過程已完成，將位移清零。工況1為竣工期，第2～49級模擬壩體分層填筑至設計高程。工況2為蓄水期，第50級模擬蓄水至正常蓄水位1 118 m。

模型考慮了上游蓄水對壩體的水壓力作用，以不透水材料瀝青混凝土心墻為界，在心墻上游側施加水壓力。模型兩側邊界分別施加法向約束，底部施加固定約束。

水平位移方向規定，向下游為正，向上游為負；應力規定：壓為負，拉為正。

1.3 計算方案

參考去學、冶勒和克孜加爾瀝青混凝土心墻壩[11-13]基座體型優化思路，通過改變基座單側坡比、底寬、布置形式以改善基座應力變形情況，但沒有考慮到基座兩側坡角對基座應力變形的影響。

為改善基座應力狀態，嵌入基巖的基座一小部分為倒梯形，基巖以上基座大部分為正梯形，明顯正梯形部分基座體型對基座整體應力變形影響較大，因此本文以正梯形部分基座兩側的坡角為控制變量，以僅改變上游側坡角β1、僅改變下游側坡角β2、兩側坡角β1=β2同時變化3種情況為計算方案，計算方案見表3?；疽庖妶D3。

表3 計算方案 單位：(°)

圖3 基座示意

2 計算結果分析

2.1 壩體應力變形分析

圖4為壩體竣工期和蓄水期沉降計算結果。2種工況下壩體的最大沉降均發生在距壩頂約2/3壩高處，壩體竣工期最大沉降為117.7 cm，由于蓄水期水壓力的作用沉降變大為136.6 cm。壩體竣工期向上游、向下游水平位移最大值分別為-39.1、75.8 cm；蓄水后，由于水壓力的作用，壩體主要向下游變形，最大向下游水平位移達130.3 cm。對比其他方案下的壩體變形情況可知，基座坡角變化對壩體沉降、水平位移影響不大，變化不超過1%、3%。因此，本文不分析基座體型變化對壩體應力變形的影響。

a)竣工期沉降

2.2 基座應力變形分析

圖5、6為基座竣工期和蓄水期應力計算結果?？⒐て谧畲髩簯妥畲罄瓚Ψ謩e為-5.04、0.33 MPa，分別出現在基座下游側頂部和倒梯形部分兩側處；蓄水后，由于水壓力的作用，基座主應力值明顯增大，最大壓應力和最大拉應力分別為-5.82、2.70 MPa，分別出現在下游側拐角和上游側拐角處。

根據表3所擬定的計算方案對不同基座體型進行計算，各方案應力變形計算結果見圖7、8。

a)竣工期

a)竣工期

a)水平位移

a)最大壓應力

由圖7可知，基座向下游水平位移和基座沉降均隨坡角增大而緩慢增大，幅度均在2 mm內；水平位移蓄水期和竣工期之間的差距隨坡角變化不明顯，基座沉降同樣如此。

由圖8可知，在竣工期，僅增大不改變，基座最大壓應力和最大拉應力均增大，幅度在0.04、0.25 MPa內；僅增大不改變，基座最大壓應力和最大拉應力均增大，幅度在0.66、0.29 MPa內。在蓄水期，僅增大不改變，基座最大壓應力和最大拉應力均減小，幅度在0.29、0.94 MPa內；僅增大不改變，基座最大壓應力和最大拉應力均增大，幅度在 2.82、0.53 MPa內。

當時，在竣工期和蓄水期，基座最大壓應力隨基座兩側坡角同時增大而增大，幅度在1.15、2.40 MPa內；基座最大拉應力隨基座兩側坡角同時增大而減小，幅度在0.20、0.66 MPa內。上述規律說明基座坡角或變化對基座竣工期和蓄水期應力狀況影響明顯。

在蓄水期，基座上游側坡角變化對基座應力變形的影響不同于下游側坡角變化，這是因為蓄水期心墻上游側受到水壓力作用，使心墻和基座產生向下游移動的趨勢，導致基座上游側受拉、下游側受壓。基座上游側坡角增大有利于基座受拉，減小壩體對基座的作用力，有利于改善基座應力狀況?；掠蝹绕陆窃龃笥欣诨軌海龃髩误w對基座的作用力，不利于改善基座應力狀況。

3 不同基座體型的拉應力圖形

3.1 非桿系結構配筋理論

根據上述有限元計算結果，2種工況下基座最大壓應力未超過C25混凝土的抗壓強度，只有蓄水期最大拉應力超過了抗拉強度，需要配置抗拉鋼筋。本文采用SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》[14]中對非桿系結構配置鋼筋的方法：當彈性應力圖形為非線性分布時，可按式(1)計算受拉鋼筋：

(1)

式中K——承載力安全系數，取1.2；fy——抗拉鋼筋強度設計值，取300 N/mm2；T——鋼筋承擔的拉力設計值(N)，T=wb；w——截面拉應力在配筋方向投影圖形的總面積扣除其中拉應力值小于0.45ft的圖形面積，N/mm，但扣除的面積不超過總的30%，見圖9，此處，ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，N/mm2；b——結構截面寬度，mm。

圖9 彈性應力圖形

3.2 拉應力圖形

由于各方案基座體型最大拉應力均出現在斷面A-A，本節討論蓄水期各種體型的基座斷面A-A的拉應力圖形，斷面A-A見圖10。

圖10 提取斷面

圖11為各方案的拉應力圖形及配筋面積。上游側坡角β1越大，拉應力圖形越小；下游側坡角β2越小，拉應力圖形越??；兩側坡角同時變化對拉應力圖形的影響弱于上游側或下游側坡角變化。拉應力圖形越小即所需要的配筋面積越少，明顯上游側坡角較大的基座所需要的配筋面積相對較少，β1=90°、β2=66°的基座所需配筋面積僅有β1=66°、β2=90°基座的53%。

a)方案1—5拉應力圖形

4 結論

以重慶巫山廟堂水庫為例，采用非線性有限元方法，對不同坡角情況下的基座竣工期和蓄水期的應力變形進行計算分析，得到以下結論。

a)在不同工況下，基座水平位移、沉降、主應力值隨著基座坡角變化而變化，呈線性相關，可為同類工程的基座設計提供參考。

b)基座上游側坡角越大或下游側坡角越小，拉應力圖形越小。建議基座設計時在符合工程實際的情況下上游側坡角在58～90°范圍內取較大值，下游側坡角在58～90°范圍內取較小值，以改善基座應力變形情況。值得指出的是，本文僅研究了基座坡角對基座應力變形的影響。在實際工程中，廊道四周易產生應力集中，廊道布置形式影響明顯，今后仍需進一步研究。