不同弹模比的碾压式堆石坝应力应变敏感性分析

李根

（九江市水利电力规划设计院，江西九江332000）

0 引言

辽宁省浑江支流的凉水冲水库是以灌溉为主，兼顾防洪、发电、供水养殖等综合利用效益的中型水利工程，建筑物主要包括大坝、溢洪道、输水发电涵管和坝后式电站厂房等。水库总库容1.221×107m3，水库灌溉面积2186.67hm2，电站装机容量320kW。依据SL252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》[1]和GB50201-2014《防洪标准》[2]，水库工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物等级为3级，次要建筑物等级为4级。

大坝的设计洪水标准：正常运用洪水重现期为100年，非常运用洪水重现期为1000年。水库大坝属于碾压式堆石坝，坝顶高程为184.0m，最大坝高42.0m，坝顶宽8.0m，坝顶轴线长173m，上游坡比为1.0∶2.0，1.0∶2.2，1.0∶2.5，下游坡比为1.0∶2.0，1.0∶2.4，1.0∶2.9，1.0∶2.7（棱体）。大坝的各区填筑材料如下：Ⅰ区的填筑材料主要是由砂质页岩碎块等组成；Ⅱ区材料是砂砾土，该防渗壳对减少大坝渗漏量起了一些作用；Ⅲ区的填筑材料主要是砾质粉质粘土和砾质粘土，另外有一部分是砾质重粉质壤土或砾质壤土等；Ⅳ区主要是块石堆积，为排水凌体部分；V区是基岩，主要岩层是砂质页岩和粘土质页岩。

1 有限元模型建立

1.1 计算参数

此文主要目的是研究坝体与坝基的弹性模量在不同比值的情况下对坝体应力应变的影响，从而寻求合适的填筑材料。此工程所在的坝基基岩弹性模量Ej为12GPa，设置初始的坝体填筑材料弹性模量Et为1GPa，即弹模比βE=Et/Ej=0.083，逐渐增大坝体填筑材料的弹性模量，对不同弹模比下的坝体应力应变进行敏感性分析，寻求最优的坝体填筑材料弹性模量。具体的计算参数如表1所示。

1.2 模型建立

首先对大坝的典型断面进行简化，根据填充材料进行分区，用MidasGTSNX软件进行建模和分析。此次采用二维模型进行模拟，坝基左右各延伸30m，坝基向下延伸20m作为模型的计算边界，采用四边形网格对模型实体单元进行划分，模型网格节点数为8894个，网格单元数为8752个。大坝材料分区及模型网格划分如图1所示。

图1 坝体典型断面模型

2 敏感性分析

2.1 坝体应变敏感性分析

在水库正常运行期间，作用在坝体上的荷载主要有水压力和泥沙压力[3,4]，同一高度处，坝体上游面的水平位移及竖向位移均小于下游坝面，因此以坝体下游面为研究对象，分析不同弹模比的坝体应变规律。从图2可知，随着弹模比增大，坝体下游坝面沿水平方向的位移逐渐减小，并趋于稳定，当弹模比大于2.4时，坝体下游面水平方向位移为定值，随着弹模比增大，坝体下游坝面竖向位移逐渐减小并趋于稳定（位移为负值表示沉降），当弹模比大于2.4时，坝体下游面沉降为定值。根据上述规律，在进行坝体填筑时，增大坝体材料的弹模，能有效减小坝体的水平和竖向位移，但若坝体填筑材料弹模过大并无意义，而且会使大坝修筑造价和施工难度增加，将弹模比控制在2.4左右效果最佳。

图2 坝体应变敏感性分析

2.2 坝体主应力敏感性分析

由于此工程的IV区的排水棱体部分是施工质量重点把控区域，所以对排水棱体部分的主应力进行敏感性分析。从图3可知，随着弹模比增大，排水棱体区域第一主应力和第三主应力均先急剧减小后趋于平稳，当弹模比小于1时，第一主应力减小幅度为42.9%，当弹模比小于0.7时，第三主应力减小幅度为50%。排水棱体区域应力不宜过大，应力过大使得填筑材料挤密破坏，内部结构发生改变，坝体内部孔隙水压力得不到有效释放，对坝体造成较大危害，建议适当提高坝体填筑材料的弹性模量[5-7]。

图3 坝体主应力敏感性分析

2.3 坝体竖直正应力敏感性分析

分别对坝体上下游坝面同一高程处的竖直应力进行敏感性分析，从图4可知，随着弹模比增大，上游坝面压应力（压应力为负值）呈先增大后减小的趋势，最终趋于稳定；下游坝面应力大于上游坝面，且随着弹模比的增大，下游坝面应力呈现逐渐减小的趋势，且减小幅度也逐渐减小并有趋于稳定的趋势。建议在对坝体进行填筑时，控制弹模比处于2～3之间为最优，此时上下游坝面应力均处于较小水平，但不宜使弹模比过大，这样会增加建造成本，且对坝体应力优化效果不明显。

图4 坝体竖直正应力敏感性分析

3 结语

1）坝体下游面水平和竖直方向位移均随弹模比的增大逐渐减小，但最终趋于稳定，且当弹模比大于2.4时，坝体下游面水平和竖直方向位移为定值。

2）当弹模比小于1时，增大弹模比能有效减小坝体应力，但当弹模比大于1时，增大弹模比对坝体应力的减小效果并不明显。

3）随着弹模比增大，下游坝面应力呈现逐渐减小的趋势，且趋于稳定；上游坝面应力受弹模比变化较小。

4）综合考虑坝体应力应变随弹模比变化规律可知：令坝体材料弹模比过大对坝体应力应变优化效果并不明显，建议将坝体材料弹模比控制在2～3之间较为合理。