300m级弧形直心墙超高堆石坝应力变形分析

褚福永,朱俊高,张富有,李永红

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098;3.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)

堆石坝是一种重要坝型,能适应较复杂的地质条件.在深覆盖层等较差地质条件上建坝,堆石坝常常是较有竞争力的坝型,有时甚至是唯一的选择.随着筑坝技术的发展,国内外已有很多超过200m的高堆石坝,已建的有墨西哥的奇森坝263m,加拿大麦卡坝243m,哥伦比亚瓜维奥坝245m.目前,堆石坝正向着300m级高度发展,如前苏联罗贡坝335m,前苏联努列克坝300m等[1].

近20年来,我国的筑坝技术也获得了飞速的发展,国内已建成坝高100m以上的堆石坝17座,另有24座超过100m以上的堆石坝正在建设或设计论证中[2],其中包括位于大渡河上的双江口水电站心墙堆石坝,最大坝高达314m,位于雅砻江上的两河口水电站心墙堆石坝,最大坝高达293m,位于澜沧江下游的糯扎渡水电站,最大坝高261.5m.

国外300m级堆石坝所积累的成功经验很有限,200m级堆石坝设计相对成熟些,现有的计算理论、方法能否适用于300m级也没有得到验证.因此,建设300m级高堆石坝,还存在关键性技术问题需要深入研究,如变形协调问题、水力劈裂问题,减轻高心墙坝的应力拱效应、增强心墙抗裂能力的方法等[3-12].

对某超高心墙堆石坝,成都勘测设计研究院建议以弧形心墙堆石坝型作为比较方案.本文对该超高堆石坝进行直心墙和弧形心墙2种坝型的三维有限元应力变形计算分析,为类似工程提供参考.

1 计算模型与计算参数

所谓弧形心墙,即心墙坝轴线为弧形,类似于拱坝.但是,由于心墙为土质或掺砾黏土,竖直方向不宜弯曲,因此,采用图1(a)所示的剖面.作为比较方案,直心墙堆石坝剖面如图1(b)所示.

图1 典型断面及材料分区Fig.1 Typical sections and material zoning

某300m级高心墙堆石坝最大坝高314m,坝址河床覆盖层最大厚度约68m.本文分别对2种不同心墙坝型的堆石坝进行了计算,即弧形心墙堆石坝和直心墙堆石坝,2种坝的三维有限元网格见图2.

图2 三维有限元网格Fig.2 Three-dimensional finite element mesh

三维有限元应力变形计算中,考虑了坝体分期填筑及蓄水的过程.坝体堆石料采用邓肯-张E-ν非线性弹性模型,计算采用的模型参数如表1所示.

三维有限元应力变形计算分25级加荷,对施工及先期蓄水逐级加荷过程进行模拟.其中,填筑和蓄水关系如下:(a)坝体填筑高程2385m,蓄水至2350m;(b)坝体填筑高程2460m,蓄水至2425m;(c)坝体填筑高程2480m,蓄水至2450m;(d)坝体填筑高程2 510m,蓄水至2500m.

计算考虑了蓄水引起的坝壳湿化变形,采用双线法进行计算.湿化后堆石料的邓肯-张参数K比表1中的数值减小15%,摩擦角小2°,其他参数同表1.

表1 邓肯-张 E-ν模型计算参数Table 1 Parameters of Duncan-Chang's E-νmodel

2 计算结果分析

对弧形心墙和直心墙2种坝型的堆石坝进行了三维有限元应力变形计算,其变形最大值及相关应力统计值见表2.由表2可以看出,2种坝的应力变形性状有一定程度的差异,本文重点分析心墙应力变形性状.

表2 三维有限元应力变形计算的蓄水后大坝主要应力变形值Table 2 Calculated stress and deformation after water storage using three-dimensional finite element method

2.1 心墙变形性状

图3和图4分别为弧形心墙和直心墙堆石坝的蓄水期心墙纵剖面沉降、顺河向水平位移及坝轴向水平位移等值线图(虚线代表直心墙堆石坝,实线代表弧形心墙堆石坝).由图3和图4可以看出,2种心墙变形分布规律基本相同.

从图3可以看出,2种堆石坝心墙沉降均在1/2坝高附近的河谷部位为最大,其中,直心墙堆石坝心墙最大沉降量为235.6 cm,占坝高的0.75%.弧形心墙堆石坝心墙最大沉降量为229.46 cm,占坝高的0.73%.最大横断面上,直心墙的面积比弧形心墙的面积大25%,这可能是直心墙堆石坝沉降较大的主要原因.

图4(a)显示,2种心墙堆石坝的顺河向水平位移左右基本呈对称性状,心墙内的顺河向水平位移由于水荷载的作用,呈现向下游的规律.弧形心墙堆石坝顺河向水平位移的最大值位置比直心墙堆石坝略微靠上.由表3可知,直心墙堆石坝(下游坝壳)向下游及(上游坝壳)向上游的水平位移最大值均比弧形心墙的大,增幅分别为16.02%和10.54%,心墙拱效应的强弱差别可能是2种坝顺河向水平位移之间差别的主要原因.

图3 蓄水期心墙纵剖面沉降等值线(单位:cm)Fig.3 Contour of longitudinal settlement of core wall in water storage period(units:cm)

图4 蓄水期心墙纵剖面水平位移等值线(单位:cm)Fig.4 Contour of longitudinal horizontal disp lacement of core wall in water storage period(units:cm)

从图4(b)可以看出,受坝体左岸坝基比右岸坡度稍缓影响,坝轴线方向水平位移左岸部分比右岸大.弧形心墙堆石坝指向左岸和指向右岸的水平位移最大值分别为29.17 cm和37.69 cm,比直心墙堆石坝的相应值减少了9.99 cm和8.64 cm.

2.2 心墙应力性状

图5～7给出了2种心墙坝 x方向(坝轴向)上应力 σx,纵剖面的大、小主应力及应力水平等值线图(虚线代表直心墙堆石坝,实线代表弧形心墙堆石坝).从图5和图6可以看出,蓄水期2种坝心墙纵剖面的大、小主应力,坝轴向应力的分布规律基本相同,看不出明显差异,均沿高程均匀减小.主应力的最大值在河谷底部.2种坝的心墙大主应力大致相同,小主应力值和坝轴向应力值有差异,弧形心墙堆石坝的小主应力值和坝轴向应力值比直心墙堆石坝的略大.

图5 蓄水期心墙纵剖面σx等值线(单位:MPa)Fig.5 Contour of longitudinal σx of core wall inwater storage period(units:MPa)

图6 蓄水期心墙纵剖面应力等值线(单位:MPa)Fig.6 Contour of longitudinal principal stress of core wall in water storage period(units:MPa)

由表2可知,弧形心墙堆石坝和直心墙堆石坝的心墙坝轴向1/3～2/3坝高范围内,河谷段心墙各单元的应力平均值分别为1.877MPa和1.843MPa,弧形心墙堆石坝的值比直心墙堆石坝的大1.84%,可以看出,弧形心墙有一定的拱作用.这里的拱作用是指由于坝轴线为弧形,心墙形成以岸坡为拱脚的类似于拱坝的力的传递作用,与后面提及的心墙拱效应是完全不同的概念.

图7 蓄水期心墙纵剖面应力水平等值线(单位:MPa)Fig.7 Contour of longitudinal stress of core wall in water storage period(units:MPa)

图7为2种堆石坝的心墙纵剖面主应力水平等值线.2种心墙内应力水平均不高,但两坝肩处的应力水平较高,弧形心墙堆石坝的值比直心墙堆石坝的值略小,减小了该处剪切破坏或拉坏的可能性.由表2可知,弧形心墙与直心墙蓄水期应力水平的平均值分别为0.394和0.424.可以看出,弧形心墙堆石坝的心墙应力水平明显小于直心墙堆石坝的相应值.

心墙拱效应是造成高心墙坝的心墙水力劈裂、裂缝等的主要因素.它是特指由于心墙比坝壳软弱,心墙沉降大,坝壳沉降小,心墙部分自重传递到坝壳,以至于心墙内部应力减小,坝壳应力增大的现象.为了对比分析2种坝心墙拱效应的强弱,图8给出了最大断面蓄水期的大主应力等值线.由图8可以看出,弧形心墙堆石坝和直心墙堆石坝均有一定的心墙拱效应.但是,在心墙上游面部位,弧形心墙堆石坝的心墙拱效应比直心墙堆石坝的轻.表2的值也体现了2种坝心墙拱效应的差别,弧形心墙的值大于直心墙的相应 值,增幅为1.47%,说明弧形心墙的拱效应相对较弱,对心墙抗水力劈裂有利.

图8 蓄水期0+405断面最大主应力等值线(单位:MPa)Fig.8 Contours of maximum p rincipa l stress of 0+405 section in water storage period(units:MPa)

水力劈裂是高坝设计中非常重要的问题之一.利用有限元计算结果,将心墙单元总应力与对应高程处的上游水压力进行比较,来判定是否发生水力劈裂是常用的方法.因此,本文采用文献[12]中的总应力法判断水力劈裂的发生.该方法用心墙外水压力是否超过心墙上游处土中的中主应力来判断水力劈裂发生的可能性,同时考虑心墙土抗拉强度.

从心墙上游面各单元的u/(σz+σt)(u为心墙上游面水压力,σz为对应高程处心墙单元的竖向应力,σt为心墙土的抗拉强度,这里近似取为黏聚力)发现,直心墙的u/(σz+σt)比值均在0.8以下,而弧形心墙的u/(σz+σt)比值在0.7以下.笔者还求出了直心墙与弧形心墙上游面u/(σz+σt)的平均值,分别为0.441和0.434.可以认为,弧形心墙的抗水力劈裂能力强于直心墙.

3 结 论

a.弧形心墙堆石坝的水平位移和沉降量比直心墙堆石坝的相应值略小.

b.2种坝均存在心墙拱效应,但弧形心墙堆石坝轴向应力平均值、小主应力平均值和平均值均大于直心墙堆石坝的相应值,说明了弧形心墙的拱作用,其心墙拱效应比直心墙堆石坝的弱.

c.总应力法判断结果表明,弧形心墙抗水力劈裂能力优于直心墙.

d.蓄水期间2种坝的心墙整体应力水平不高,弧形心墙和直心墙平均应力水平分别为0.394和0.424.两坝肩处应力水平较高,弧形心墙堆石坝的值比直心墙的略小,减小了该处剪切破坏或拉坏的可能性.

e.总体上,弧形心墙堆石坝的受力变形性态优于直心墙堆石坝.

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