流变对高心墙堆石坝变形影响的有限元分析

何周

【摘 要】高心墙堆石坝的流变变形不可忽略，采用有限元法分析了流变对大坝变形的影响，结果表明：流变引起的变形增量在填筑与蓄水期为由上下游两侧向心墙方向挤压，而在运行期则为由心墙向上下游两侧挤压；与不考虑流变相比，考虑流变变形后蓄水期坝体最大沉降增加约23%，而运行期的流变变形较小，运行10年后坝体最大沉降相对于蓄水期仅增大约1.5%。

【关键词】堆石坝；流变；有限元

0 引言

由于具有良好的基础适应性、能就地取材和充分利用建筑物开挖料、造价较低及抗震性能好等优点，堆石坝是一种极具竞争力的坝型。实际工程的运行表明：大坝建成后的长期运行过程中堆石体仍有较大的流变变形，可能使防渗结构产生裂缝，危及大坝安全。国内众多学者对堆石体流变特性、流变模型和流变变形数值模拟开展了研究[1-5]。本文采用有限元数值模拟，对流变对高心墙堆石坝变形的影响进行了研究。

1 流变对高心墙堆石坝变形影响的有限元分析

1.1 流变模型

1.2 结构离散及模拟方法

在进行有限元网格剖分时，实体单元采用8结点六面体等参单元，为适应边界条件以及坝料分区的变化，部分采用三棱体和四面体作为退化的六面体单元处理，共剖分实体单元9351个，结点9813个。计算时采用逐级加载的方法模拟坝体施工工序，水库蓄水过程通过水荷载分级施加进行模拟，共分为53级进行模拟。

1.3 有限元计算结果分析

1.3.1 不考虑流变的坝体应力变形性态

正常蓄水位下的坝体最大沉降为153.1cm，位于心墙轴线附近1/2.5坝高处，指向下游的最大变形为33.1cm，指向上游的变形为22.1cm。坝体大、小主应力最大值分别为2.7MPa、1.0MPa，位于下游反滤层底部，由于蓄水后，上游坝壳及心墙上游的主应力尤其是小主应力较之下游下降较为明显，因而上游坝壳中应力水平较高，但坝体内均未出现拉应力，也没有塑性破坏区域。

1.3.2 考虑流变的坝体变形性态

坝料流变变形方向为由上下游两侧向心墙方向挤压，指向下游侧的流变变形最大值为9.3cm，指向上游侧的流变变形最大值为6.2cm，垂直向流变变形最大值为35.8cm，发生在心墙坝轴线的1304高程。与不考虑流变变形计算结果相比，考虑流变变形后指向下游侧的顺河向位移有所增大，最大值为36.8cm，指向上游侧的顺河向位移有所减小，最大值为19.7cm，垂直向沉降增大为188.3cm，发生在心墙坝轴线的1317高程，较之不考虑流变变形的结果偏低。蓄水10年后流变变形的方向表现为由心墙向上下游两侧挤压，指向上游侧的顺河向位移增量为4.8cm，指向下游侧的顺河向位移增量为4.3cm，垂直向位移增量为7.6cm，发生在坝顶。由于大坝填筑周期长，大部分流变变形已在施工期完成，故而在运行期的流变变形较小。由于运行期流变变形方向为由心墙向两侧挤压，与蓄水期计算结果相比，指向上游侧顺河向位移有所增大，最大值为20.6cm，指向下游侧顺河向位移有所减小，最大值为35.8cm。最大沉降值则增大为191.2cm。

2 结论

考虑流变变形后，其引起的变形增量在填筑与蓄水期坝体变形方向为由上下游两侧向心墙方向挤压，而在运行期则为由心墙向上下游两侧挤压。考虑流变变形后，蓄水期坝体最大沉降为188.3cm，约为坝高的1%，发生在心墙坝轴线的1317高程，与不考虑流变的结果相比，坝体最大沉降增加约23%，而位置要偏低一些。由于大坝填筑周期长，大部分流变变形已在施工期完成，故而在运行期的流变变形较小，运行10年后坝体最大沉降为191.2cm，相对于蓄水期仅增大约1.5%。

【参考文献】

[1]李国英，米占宽，傅华，等.混凝土面板堆石坝堆石料流变特性试验研究[J].岩土力学，2004，25（11）：1712-1716.

[2]程展林，丁红顺.堆石料蠕变特性试验研究[J].岩土工程学报，2004，26（4）：473-476.

[3]王勇，殷宗泽.一个用于面板坝流变分析的堆石流变模型[J].岩土力学，2000，21（3）：227-230.

[4]周伟，常晓林.基于幂函数流变模型的高混凝土面板坝流变分析[J].水力发电学报，2006，25（1）：15-18.

[5]邓刚，徐泽平，吕生玺，等.狭窄河谷中的高面板堆石坝长期应力变形计算分析[J].水利学报，2008，39（6）：639-646.

[责任编辑：王伟平]