坝料密度对坝体变形影响研究

孔祥彬，武俊丽

（黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海 西宁 810000）

混凝土面板堆石坝作为一种天然材料坝，以其就地取材、易于防渗的特点被广泛应用于水利水电工程建设。积石峡水电站采用混凝土面板堆石坝方案，最大坝高103 m，设计填筑方量约296万m3。

坝料的干密度是面板堆石坝施工的重要控制参数之一，对坝体的变形有较大影响[1]。本文针对积石峡水电站面板堆石坝的坝料，进行了室内大型三轴试验，并采用数值模拟的方法，研究坝料的干密度对坝体应力变形的影响规律，以期为合理确定大坝坝料填筑碾压参数提供依据。

1 干密度对坝料应力应变特性的影响

为了研究坝料的干密度对坝料应力应变特性的影响，针对坝料进行了大型三轴试验。

1.1 试验步骤

试验针对大坝主堆石料的试样进行，试样直径300 mm、高700 mm。

（1）称样。试验时将风干后的坝料按试样级配和干密度的要求称取，分层装入对开模内，并夯实至坝料不同分区所要求的干密度。

（2）固结。制样完毕后施加周围压力进行固结，至试样的体积变化稳定后，即完成固结过程。

1.2 试验结果

分别对低密、中密和高密三种试样密度进行试验。试验的围压分别为 0.1、0.3、0.6、1.0 1.5 MPa。低密、中密和高密三种试样密度在试验过程中测量的应力-应变关系基本相似，中密试样试验结果见图1（图中ε1为轴向应变，εv为体应变，σ1为大主应力，σ3为小主应力）。

图1的试验结果表明，随着干密度的增加坝料的强度有所增加，低围压下的剪胀特性也更加明显，这些规律与一般认识是一致的[2]。

图1 中密试样的大型三轴试验结果

2 坝料干密度对坝体变形的影响

2.1 网格划分

对积石峡面板堆石坝进行三维有限元计算，分析坝料采用不同干密度坝体的变形。

（1）根据积石峡面板堆石坝的设计剖面图和地形划分了三维有限元计算网格。在计算中模拟了坝体分层均匀上升的填筑过程和坝体施工结束后进行的面板施工。坝体竣工以后蓄水至设计水位。

（2）根据大型三轴试验结果，确定了不同干密度条件下坝料的沈珠江双屈服面模型参数[3]，见表1（表中φ0和Δφ为强度指标，Rf为破坏比，K为弹性模量数，n为弹性模量指数，Cd为最大剪缩体变，nd为体变增大的幂次，Rd为剪胀比）。

表1 主堆石沈珠江双屈服面模型参数

从表1可以看出，材料的内摩擦角和模量均随干密度的增加而有所增大。

2.2 计算结果

因高密度和低密度方案的变形分布规律与中密度计算方案类似，本文仅给出中密度方案竣工期和蓄水完成期标准横断面坝体变形的等值线图（分别见图 2、 3）。

从图2、3可以看出坝体沉降出现在坝高大约2/3处；水平向变形分别向上下游扩展。

表2给出了三种方案计算所得到的坝体变形最大值。从表2可以看出，坝体沉降、顺河向位移以及轴向位移均随着干密度的增大而减小。这意味着增大坝料干密度可以减小坝体的变形。

3 结论

（1）三种不同干密度坝料的大型三轴试验结果表明干密度对坝料的应力变形特性有一定影响，即随着干密度的增加坝料的强度有所增加。

图2 竣工期标准横断面位移等值线（单位：m）

图3 蓄水完成期标准横断面位移等值线（单位：m）

表2 坝体变形最大值cm

（2）三维有限元计算结果表明坝体的沉降和变形随着干密度的增大而减小。给出了坝体沉降随坝料干密度变化规律。为合理确定积石峡水电站面板堆石坝的填筑碾压施工参数提供了依据。

［1］DL/T 5129—2001 碾压式土石坝施工规范［S］.

［2］黄文熙.土的工程性质［M］.北京：中国水利水电出版社，1983.

［3］沈珠江.土体应力应变分析的一种新模型［C］//中国土木工程学会编.第5届土力学及基础工程学会会议论文集.北京：建筑工程出版社，1990:101.