覆盖层对察汗乌苏面板堆石坝应力变形影响数值分析

王妮妮

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局宝鸡总站陕西宝鸡721001）

覆盖层对察汗乌苏面板堆石坝应力变形影响数值分析

王妮妮

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局宝鸡总站陕西宝鸡721001）

本文针对察汗乌苏面板堆石坝工程，采用有限元方法，分析了建于覆盖层上面板堆石坝的应力变形特性，探讨了覆盖层对面板堆石坝应力变形的影响以及覆盖层上修建面板堆石坝的可行性。本文研究可为相似工程的建设提供参考。

面板堆石坝；覆盖层；应力变形；数值分析

1 引言

随着水利工程的发展，众多地理条件优越的坝址已经开发完成。目前大坝建设中面临的坝基条件越来越复杂，其中覆盖层就是一种典型的地质条件[1,2]。目前适合建于覆盖层上的坝型主要就是土石坝，而其中面板堆石坝由于具有众多优点，成为建于覆盖层上最主要的坝型。建于深厚覆盖层上的面板堆石坝往往直接将趾板建在覆盖层上，由于覆盖层的力学特点，在坝体填筑过程中将会产生较大的压缩变形，因此覆盖层较大的压缩变形必将进一步对建于其上的面板坝产生重要影响[3,4]。本文结合采用数值计算的方法对覆盖层对建于其上的面板堆石坝的应力变形特性的影响进行分析。

2 工程概况

察汗乌苏面板堆石坝建于覆盖层上的混凝土面板堆石坝坝顶长度为348.20m，坝顶宽度为10.0m，最大坝高111m，上游坡1:1.4，下游局部坡度1:1.35和1:1.4，下游综合坡比1:1.55，坝顶设有高度为5.2m的“L”型防浪墙与面板相接，坝顶高程805.0m。坝体从上游到下游依次为面板、上游铺盖及盖重区、混凝土面板、混凝土趾板、混凝土防渗墙、混凝土连接板、垫层区、过渡层区、主堆石区及下游次堆石区。坝体填筑总量约377万m3。

表1 邓肯张模型计算参数

表2 应力变形对比统计表

图1 二维计算模型

图2 运行期沉降分布（单位：m）

坝基附近平水期河水位高程702m时，水面宽约40m，水深1m～3m，当正常蓄水位800m时，谷宽约329m。河床覆盖层厚度44m～48m，其中表部水库淤积层厚约2m～4m，上部含碎石块石砂卵砾石层厚6m～20m，中部砂卵砾石层厚12m～15m，是河床覆盖层的主体层；底部含块碎石的砂卵砾石层厚5m～10m。

3 数值计算模型

3.1 本构模型和计算工具

为了分析建于覆盖层上察汗乌苏面板堆石坝的应力变形特性，分析覆盖层地基对大坝的影响，本文采用有限元方法进行数值计算。对于面板堆石坝本构模型的选取，目前工程界广泛采用邓肯张E-B模型进行面板堆石坝应力变形特性的数值模拟。根据多个实际工程的计算和实测资料的对比分析，E-B模型可以获得较为准确的数值计算结果，目前该模型已经积累了丰富的实际运用经验。本文将采用E-B模型模拟察汗乌苏面板堆石坝坝体料和地基覆盖层材料的应力变形特性。混凝土面板、趾板和防渗墙基本上均在线弹性阶段工作，因此本文采用线弹性模型模拟面板堆石坝中的混凝土结构即面板、趾板和防渗墙等。防渗结构和坝体之间存在显著的接触行为，文章采用接触摩擦算法进行模拟。为了获得大坝的应力变形特性对堆石料进行了大型三轴试验获得相关的力学参数，因此本文模型参数根据试验结果和类比其它相似工程参数选取。本文采用ADINA软件来实现深厚覆盖层上面板堆石坝应力变形的数值计算。

3.2 计算模型和参数

由于察汗乌苏面板堆石坝河谷地形相对较为宽敞，选取大坝最大断面进行二维数值分析，进而研究大坝的应力变形特性。取该坝的典型断面进行数值分析，堆石料、垫层料、过滤层以及覆盖层材料采用邓肯张E-B模型模拟，各防渗结构采用线弹性模型进行模拟。详细模拟面板和垫层以及防渗墙和覆盖层之间的接触特性。邓肯张模型的参数取值根据相关试验结合相似工程确定，参数如表1所示。混凝土面板、趾板弹性模量E=28GPa，泊松比ν=0.167；混凝土防渗墙弹性模量E=26 GPa，泊松比ν=0.167；混凝土密度均取为2.45g/cm3。

计算模型范围向下取至基岩面，上下游分别向上下游方向取1倍的坝高。计算模型底部施加固定约束，上下游两侧施加相应的法向约束。采用四节点单元剖分网格，计算真实模拟大坝的施工和蓄水过程，实际模拟大坝的每层填筑厚度为5m。大坝的有限元计算模型如图1所示。

4 计算结果分析

4.1 大坝变形结果分析

察汗乌苏面板坝蓄水期覆盖层上大坝沉降分布云图如图2所示。由变形结果可知，采用该数值模型计算所得大坝整体应力变形和防渗系统相对变形的分布整体比较合理，基本符合实际大坝和防渗结构所表现出的应力变形性状。由于覆盖层的存在，大坝的最大沉降和水平位移均发生在靠近大坝的底部部位，计算所得大坝的最大沉降大约为0.83m左右，发生在大坝底部靠近覆盖层的部位，小于1%的大坝高度，即小于察汗乌苏大坝沉降变形允许值。施工期大坝向上游的最大位移为0.26m，向下游最大位移为0.25m，水平位移的最大位置均发生在靠近覆盖层的位置。蓄水期坝体总体向下游移动，坝体上游侧只产生0.10m的向上游的水平位移，而大坝下游侧产生0.34m的向下游的水平位移，在水压力作用下，大坝的水平位移增量较为明显。计算得察汗乌苏大坝水平位移较小，基本可以接受。本文也对大坝建于基岩上时大坝的应力变形进行了计算，计算表明，建于基岩上的大坝最大沉降发生在坝体一半坝高处左右，最大值只有0.65m，同时坝体也分别产生向上游和向下游的水平位移，但是最大水平位移值均较小，明显小于建于覆盖层上的面板堆石坝，其中施工期向上游侧和向下游侧的最大水平位移分别只有0.12m和0.14m，相对建于覆盖层上的大坝分别减小了0.13m和0.11m，由上述分析可知覆盖层对建于其上的面板堆石坝的变形会产生的影响显著，其对大坝变形的影响主要表现在两个方面，第一大坝的变形趋势基本相同，但是大坝最大变形的位置发生变化，在覆盖层作用下大坝的沉降变形具有总体向下移动的趋势，同时水平位移具有向下和上下游移动的趋势。第二覆盖层的作用使坝体的变形增加，这主要是由于覆盖层层产生较大压缩变形所引起的。虽然覆盖层对大坝变形具有上述影响，但是对于建于覆盖层上的大坝其变形仍然在合理范围之内，说明建于覆盖层上的察汗乌苏面板堆石坝是安全的可靠的，大坝表现良好。4.2大坝应力结果分析

对建于覆盖层上和基岩上的面板堆石施工期应力变形统计结果如表2所示。

由计算结果可知，察汗乌苏大最大和最小主应力均发生生在覆盖层底部，这主要是因为，覆盖层在上部坝体填筑时受到进一步的压缩所导致，由结果可知，覆盖层上面板堆石坝最大主应力为3.0MPa，而基岩上大坝只有2.5MPa，说明覆盖层对大坝应力的分布也会产生较大的影响，它会引起坝基大主应力值增加，另外计算所得覆盖层上大坝小主应力最大值为1.5MPa分布在覆盖层的底部，而基岩上面板堆石坝的最小主应力最大值为1.2MPa，分布在坝体底部，说明覆盖层对大坝的应力分布和具体应力值的大小均产生了一定影响。计算所得大坝最小主应力的分布具有与大主应力分布基本相同的规律。虽然大坝产生较大的应力，但是应力水平较低均小于1，表明察汗乌苏大坝应力状态安全稳定。

对覆盖层上各防渗结构的应力变形特性也进行了分析。计算所得面板最大拉压应力分别分布在面板的下游侧底部两侧部位，最大拉应力值大约为1.62MPa，察汗乌苏大坝面板尚未产生贯穿性裂缝，同时，在覆盖层和坝体较大变形的影响下，面板最大挠度发生位置呈现下移的趋势，最大值为12cm。另外，坝基趾板和连接板以及防渗墙均主要承受压应力，只在上述结构的两侧部位由于受到较强的约束作用而承受一定的拉应力，但是均不会破坏现有的防渗结构。各防渗结构也产生总体向下变形的趋势，说明覆盖层对其上坝体和防渗结构均有较大的影响，但是大坝的防渗结构表现良好。

5 结论

本文结合察汗乌苏面板堆石坝工程对建于覆盖层上的面板堆石坝的应力变形特性进行分析。通过采用有限元方法并且对比分析覆盖层上和基岩上面板堆石坝应力变形特性的异同，分析覆盖层对建于其上面板堆石坝应力变形的影响。计算结果表明，察汗乌苏面板堆石坝表现良好，覆盖层对建于其上的面板堆石坝和防渗系统的应力变形特性均会产生较大的影响，使坝体的应力和变形值均增大，同时也使防渗结构产生较大变形，但是数值结果表明，建于覆盖层上的面板堆石坝仍然可以正常运行，覆盖层上是可以修建面板堆石坝的。

覆盖层对其上面板堆石坝应力的影响类似于对大坝变形的影响规律。同时，计算结果与实际经验数据对比表明，虽然覆盖层上面板堆石坝应力的分布相对于基岩上面板堆石坝有所变化，但是大坝的最大应力值仍然是在合理的范围之内，说明在实际工程中，对建于覆盖层上的面板堆石坝，只要采用合理的控制坝体变形各应力的措施，是可以成功地修建面板堆石坝的。陕西水利

[1]邓铭江.严寒、高震、深覆盖层混凝土面板坝关键技术研究综述[J].岩土工程学报，2012，34（6）:985-996.

[2]郦能惠，杨泽艳.中国混凝土面板堆石坝的技术进步[J].岩土工程学报，2012，34（8）: 1361-1368.

[3]王启国.金沙江虎跳峡河段河床深厚覆盖层成因及工程意义[J].岩石力学与工程学报，2009，28（7）:1455-1466.

[4]郦能惠，王君利，米占宽等.高混凝土面板堆石坝变形安全内涵及其工程运用[J].岩土工程学报，2012，34（2）:193-202.

（责任编辑：畅妮）

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