那恒水库CSG坝体及坝基弹模变化影响分析

陈彬兴

（四川大学，四川成都 610065）



那恒水库CSG坝体及坝基弹模变化影响分析

陈彬兴

（四川大学，四川成都 610065）

【摘 要】胶凝砂砾石坝（简称CSG坝）是一种新坝型，其基本剖面是上下游坝坡大致对称的梯形，筑坝材料采用价格低廉的低强度胶凝砂砾石料，CSG坝具有施工简便、造价低廉、对环境负面影响小等特点。本文以那恒水库工程为例，采用有限元数值模拟方法，分别计算分析了坝体及坝基弹性模量变化对大坝应力及变形的影响。

【关键词】胶凝砂砾石坝；弹模变化；影响分析

1　概 述

胶凝砂砾石坝（简称CSG坝）是一种新坝型，胶凝砂砾石坝基本剖面是上下游对称的梯形，其筑坝材料为天然河床砂卵石或开挖废弃料等。由于能够利用常规混凝土无法利用的低质量骨料及开挖料，当地的岩质材料无需复杂加工或仅需简单的调整即可用于制作CSG材料，能充分地利用当地材料，减少弃渣开挖废料的堆放及各种材料的运输和制作，可降低对环境的负面损坏，因此，CSG坝型具有安全性高、抗震性高、对地基条件要求低、施工简便、造价低廉、对环境负面影响小等特点［1］。

本文针对筑坝原材料含水量、密度、颗粒级配、含泥量、砂率等及地基特性不同等问题，研究坝体材料弹模变化及不同的地基弹模（均质地基）对CSG坝体工作特性的影响。

2　工程概况

那恒水库工程位于云南省富宁县那能河上游那恒村。距富宁县城120km。水库大坝由左岸挡水坝段、泄洪溢流坝段、右岸挡水坝段和导流洞组成。最大坝高74. 50m，坝轴线长167. 00m，坝体上游坝坡在高程956. 00m上为铅直、以下为1∶0. 60的斜坡，下游坝坡为1∶0. 60。水库总库容1248万m3，工程等别及规模为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级。

那恒水库工程区域处于南岭纬向构造体系西端、黔桂经向构造带南缘、青藏滇缅印尼巨型“歹”字形构造体系中部东支的东侧，二级构造单元为滇越巨型旋扭构造。工程区地震动峰值加速度值为0. 05g，反应谱特征周期为0. 35s，抗震设防烈度为6度。那恒水库区出露中生界三叠系中统百蓬组（T2b）地层，岩性主要为砂岩及泥质粉砂岩，表层零散分布有第四系松散堆积物，其中微风化砂岩属较坚硬岩，泥质粉砂岩属较软岩。

3　坝体弹模变化对坝体应力及变形的影响

采用有限元计算软件ANSYS，选取3号非溢流坝段进行数值模拟，分析坝体弹模变化对大坝应力及变形的影响［2-3］。计算模型采用最高非溢流坝段，坝高59. 30m，上下游坡比为1∶0. 60，上游正常蓄水位963. 80m；坝基弹模不变（5. 50GPa），密度为2650kg／m3，泊松比取0. 15。坝体弹模按20GPa、15GPa、11GPa、5. 50GPa、2GPa、1GPa变化，其强度相应减少，其他参数不变。

坝体最大水平位移UX、最大竖向位移UY（见表1），坝体关键部位应力见表2，坝体最大变形随弹模比（坝体／坝基）变化曲线（坝体弹模变化）见图1。

表1　不同坝体材料弹模下坝体最大变形

表2　不同坝体材料弹模下坝体应力　单位：MPa

图1　坝体最大变形随弹模比（坝体／坝基）变化曲线（坝体弹模变化）

3. 1坝体位移分析

从表1可以看出，在不同坝体弹模下，坝体的水平位移小于竖向位移，随着坝体弹模的减小，水平位移和竖向位移逐渐增大；当坝体弹模低于5. 50GPa（弹模比小于1）继续减小时，坝体的水平和竖向位移增加很大，出现拐点。

3. 2 坝体应力分析

由表2计算结果分析可知，各坝体在不同弹模下，应力分布规律基本一致，坝体处于低应力水平；还可以从表2中看出，在坝踵处有拉应力，当坝体弹模较小时（1～5. 5GPa）坝趾处压应力较小，随着坝体材料弹模的增大（大于5GPa），坝趾处的应力逐渐增大，增加的幅度明显，但对于坝踵处的拉应力影响不大，基本在1MPa左右，由此可得出，CSG坝采用较小坝体弹模时，能降低沿坝基面的压应力，改善坝趾的压应力，即对CSG坝内部材料的弹性模量要求不宜过高，但随着坝体材料弹模降低，材料变“软”，坝体变形大幅度增加，在特殊荷载下，坝体及永久缝可能发生错动破坏，因此不能简单地认为坝体弹模越小越好。

计算采用弹模值对应的坝基岩体属中等坚硬—坚硬岩体，基本具备建重力坝的建基面条件，因此，在具备建重力坝的建基面条件下修建CSG坝，可适当降低对坝体材料的刚度要求，既能满足安全要求，又可节省投资。

4　坝基弹模变化对坝体应力及变形的影响

CSG坝对地基的适应性较强。采用有限元计算软件ANSYS，选取3号非溢流坝段进行数值模拟，分析坝基弹模变化对大坝应力及变形的影响。

计算模型选取坝高59. 30m，上下游坡比为1∶0. 60，上游正常蓄水位963. 80m，下游水位为0m；坝体弹模不变（11GPa），密度2360kg／m3，泊松比取0. 20。坝基弹模按20GPa、15GPa、11GPa、5. 50GPa、2. 50GPa、1GPa变化，其强度相应减少，其他参数不变。

坝体最大水平位移UX、最大竖直位移UY（见表3），坝体关键部位应力见表4，坝体最大变形随弹模比（坝体／坝基）的变化曲线（坝基弹模变化）见图2。

表3　不同坝基材料弹模下坝体最大变形

表4　不同坝基材料弹模下坝体应力　单位：MPa

图2　坝体最大变形随弹模比（坝体／坝基）变化曲线（坝基弹模变化）

4. 1坝体位移分析

由表3可知，坝体弹模不变，在不同坝基弹模的情况下，坝体水平位移小于竖向位移，随着坝基弹模的变小，坝基变软，坝体变形逐渐增加；在坝基弹模为5. 50GPa（弹模比2）基础上减小时，坝体的水平和竖向位移增加的幅度很大，出现拐点。

4. 2坝体应力分析

由表4计算结果分析可知，在坝踵处有拉应力出现，坝基中部产生较大压应力，当坝基弹模较大时，坝踵处拉应力变化不大，当弹模逐渐减小时，坝踵处拉应力有减小的趋势，但是坝趾处的压应力却逐渐增大，由此可得出，CSG坝在坝基前软、后硬的情况下，对坝体受力更为有利。

5　结 语

采用有限元计算软件ANSYS，选取3号非溢流坝段进行数值模拟，分析坝体和坝基弹模变化对大坝应力及变形的影响；采用单一变量法，无论坝体还是坝

基于上述分析，CSG坝在坝体较硬、坝基较软和坝基前软、后硬的情况下，对坝体的受力最有利。■

参考文献

［1］ 刘伦军.贫胶粗粒料在水利水电工程中的研究与应用［J］.湖南水利水电，2010（4）：39-41.

［2］ 熊堃，何蕴龙，吴迪. Hardfill坝结构破坏模型试验研究［J］.水利学报，2012（10）：1214-1222.

［3］ 赖永标，胡仁喜，黄书珍，等. ANSYS11. 0土木工程有限元分析典型范例［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［4］ 李围.隧洞及地下工程ANSYS实例分析［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

Analysis on the imPact of CSG dam body and dam foundation elastic modulus change in Naheng Reservoir

CHEN Binxing
（Sichuan University，Vhengdu 610065，Vhina）

Abstract：Cement-sand-gravel dam（CSG dam for short）is a new type dam. The basic profile is a trapezoid shape with basically symmetrical upstream and downstream dam slopes. Low strength cement-sand-gravel with cheap price is adopted for building the dam. CSG dam is characterized by convenient construction，low cost and low negative influence on environment，etc. In the paper，Naheng Reservoir Project is adopted as an example. Finite element numerical simulation method is adopted for respectively calculating and analyzing the impact of dam body and dam foundation elastic modulus on dam stress and deformation.

Key Words：cement-sand-gravel dam；elastic modulus change；impact analysis

DOI：10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.02.015

中图分类号：TV649

文献标识码：B

文章编号：1673-8241（2016）02-0049-03