沥青混凝土心墙高坝应力应变特性初探

余 林(新疆水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 830000)

沥青混凝土心墙高坝应力应变特性初探

余 林
(新疆水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 830000)

研究百米级浇筑式与碾压式沥青混凝土心墙坝的应力应变性态对沥青混凝土心墙高坝发展具有重要意义。通过平面有限元分析表明：大坝的应力应变性态，明显受控于坝体填筑材料的性状，而受心墙沥青混凝土材料性质影响较小，采用两种心墙材料所得大坝的应力变形规律变化不大。

沥青混凝土；浇筑式；碾压式；心墙坝；应力应变

当前沥青混凝土心墙坝已成为坝工界重点关注的坝型，是国际大坝委员会(ICOLD)推广的坝型之一。中国沥青混凝土心墙坝的应用起步较晚，1973年率先建成了甘肃党河沥青混凝土心墙坝，坝高54 m[1]。近年来这种坝型得到了较快的发展，先后建成了近百座工程。如坝高125 m的冶勒沥青混凝土心墙；坝高104 m三峡茅坪溪沥青混凝土心墙；黑龙江尼尔基沥青混凝土心墙坝，该坝坝高40 m，其坝长达1 829 m，堪称世界同类坝之首。当前我国沥青混凝土心墙坝在数量方面位居世界前列，坝高与国际相同。在材料性能和设计理论研究方面均落后于工程实践，仍是以经验和判断作为设计与施工的依据。我国设计规范中虽对沥青混凝土力学性能给出了技术指标要求，但这些指标仅用于配合比类比与评价，而不能直接用于沥青混凝土心墙坝工作性状的评估，因此，深入认识水工沥青混凝土力学性能，研究沥青混凝土心墙坝的应力应变性态，就成为当前亟待解决的关键问题之一。

依据施工中沥青混凝土压实方法的不同，沥青混凝土心墙坝分为：碾压式与浇筑式两种坝型，前者是油石比一定时在给定的温度下，利用机械外力将沥青混凝土分层压实；后者则是在规定的高油石比和给定的温度下，依靠自重压实，形成沥青混凝土防渗结构。两坝型各自有其优越性。

我国东北和新疆等地已建成50余座浇筑式沥青混凝土心墙坝，坝高大多在30 m～50 m，超过50 m的仅有3座[2-4]。因经验较少，《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》[5](SL501-2010)规定采用浇筑式沥青混凝土心墙坝时，其坝高不宜超过70 m，这无疑限制了这种坝型的应用。

浇筑式沥青混凝土心墙始建于俄罗斯，早在20世纪30年代就已应用，70年代以后，又对采用浇筑式沥青混凝土作为高土石坝心墙防渗体的可行性开展了深入研究，并在俄罗斯的北部、西伯利亚寒冷地区的土石坝建设中相继被采用，规划设计坝高达140 m，其技术水平处于世界领先地位[6-7]。与俄罗斯相比，我国对浇筑式沥青混凝土心墙坝的认识和应用，相对比较保守和落后。

本文将通过浇筑式沥青混凝土心墙坝与碾压式沥青混凝土心墙坝的应力应变性状对比，探讨拓宽浇筑式沥青混凝土心墙坝应用的可行性。

1 计算模型与计算参数

1.1 沥青混凝土的本构模型

沥青混凝土是以散粒矿质材料为骨架，以沥青胶浆(沥青与填料混合料)为胶结料形成的固体材料，视自身的温度不同，它隶属于弹性或弹塑性材料，有时也被认为具有蠕变特性的黏弹性材料。认识上的差别反映出人们对沥青混凝土的基本性能认知尚欠深入。

多数研究者认为沥青混凝土类似于坝料等粒状材料的性能，常温下被视为弹性非线性材料，采用邓肯-张模型来表征其本构关系，其中以采用E～μ模型[8-16]居多。其切线变形模量与切线泊松比计算公式及参数如下：

(1)

μt=

(2)

式中：Et为切线变形模量，需K、n、φ、c、Rf等5个有三轴实验得到的常数计算；μt为切线泊松比，需G、F、D等3个实验参数。

上述模型是基于摩尔-库仑强度理论，材料破坏是剪应力或主应力差引起，因此，结构是否安全，应以该域的剪应力水平来进行评价。

1.2 计算模型与方案

1.2.1 计算模型

设定大坝坐落于基岩上，计算模型采用沥青混凝土心墙坝坝高为100 m，坝顶宽9.0 m，上游坝坡均为1∶2.2，下游边坡1∶2.0，心墙厚度沿坝高线性变化，其中心墙顶部厚度取0.6 m，底部厚度取坝1.10 m，坝体填筑分区由上游到下游分别为：上游坝壳料区、水平宽度3 m的过渡料层、水平宽度0.3 m的薄层单元区、沥青混凝土心墙、下游薄层单元、下游过渡层和下游坝壳料区。

坐标系竖向为Y轴，顺河向为X轴。

有限元网格采用四边形单元，为反映坝壳与沥青心墙工作性态，在心墙和过渡料交界面之间设置薄层单元。有限元网格剖分见图1。大坝的有限元网格共有单元总数599个(其中：坝壳料479个单元，过渡层40单元，薄层单元40，沥青混凝土心墙40个单元)，结点总数713个。图1为标准计算模型网格图。

图1 大坝二维网格图

1.2.2 计算方案

采用平面有限元对浇筑式与碾压式沥青混凝土心墙坝的应力应变性态进行研究。考虑到沥青混凝土的性质受温度影响较大，研究时采用常温25℃时沥青混凝土的力学性能指标作为基本方案，以4℃作为佐证方案，分别计算两种工况：

竣工期：坝体填至坝顶高程，此时仅承受自重荷载；

满蓄期：坝体填至坝顶高程，并蓄水至正常高水位，除自重荷载外，增加了水平荷载。

坝体填筑及蓄水的加载过程：大坝坝填筑分为10级，蓄水分为6级。蓄水时上游水下部分施加浮托力，同时，水压力以面力的形式作用在沥青混凝土心墙上游面上。

1.2.3 计算参数

表1给出了有限元分析的基本参数，沥青混凝土的非线性参数选自王德库[17]研究成果。其余参数由新疆农业大学研究所提供。

坝料1与坝料2旨在研究坝体填筑材料的工程性质，对沥青混凝土心墙坝应力应变性态的影响。

2 沥青混凝土心墙坝应力应变性状分析

2.1 位 移

表2给出了浇筑式与碾压式沥青混凝土心墙坝，两种坝型典型剖面的应力应变分析成果，以及不同温度下的位移分析成果。

2.1.1 坝体位移

图2给出了满蓄期浇筑式沥青混凝土心墙坝25℃时沉降与水平位移的等值线分布图。由图2可知其最大沉降值为26.69 cm，向上游水平位移9.3 cm，向下游水平位移为16.74 cm。

图3为满蓄期碾压式沥青混凝土心墙坝25℃时的沉降与水平位移的等值线分布。其最大沉降值为25.18 cm，向上游水平位移9.43 cm，向下游水平位移为16 cm。

表1 坝体材料邓肯-张E～μ模型力学参数

表2 不同温度下沥青混凝土心墙坝应力应变极值统计

图2 25℃浇筑式沥青混凝土心墙坝满蓄期位移等值线图

图3 25℃碾压式沥青混凝土心墙坝满蓄期位移等值线图

从整体上看，两种坝型的坝体位移量级在同一数量级上，二者的位移分布规律相同，无显著差别，这表明坝体的位移与心墙采用何种沥青混凝土无关。

2.1.2 沥青混凝土心墙垂直沉降

图4给出了相同温度25℃下浇筑式与碾压式沥青混凝土心墙竣工期和满蓄期垂直沉降沿坝高的分布，可以看出两种类型心墙垂直沉降沿高程分布基本重合，分布规律与沉降量级均在同一水平上，无显著差别。垂直沉降极值都发生在坝高中部附近，约为25 cm上下，占坝高的0.25%，与已建工程的观测成果分布规律相同，并在同一数量级上。

图4 25℃温度下浇筑式、碾压式沥青混凝土心墙竣工期和满蓄期垂直沉降沿坝高分布

2.1.3 沥青混凝土心墙水平位移

图5给出了相同温度25℃下浇筑式与碾压式沥青混凝土心墙竣工期和满蓄期水平位移沿坝高的分布，其规律类同。由于心墙位于坝体中央，竣工期仅承受自重荷载，顺河向位移表现具有对称性，指向上、下游的水平位移在同一数量级上；满蓄期由于受库水水荷载的作用，指向下游的位移将大于指向上游位移，浇筑式沥青混凝土心墙向下游的水平位移极值为8.82 cm，碾压式心墙向下游的水平位移极值为8.18 cm，两种坝型指向下游的水平位移值在数量上差别不大，约占坝高的0.08%，与已建工程在同一数量级上。两种坝型水平位移沿坝高分布规律相同。

图5 25℃温度下浇筑式、碾压式沥青混凝土心墙竣工期和满蓄期水平位移沿坝高分布

尽管浇筑式与碾压式沥青混凝土的材料配合比不同，处在不同温度下的应力应变参数各异，从位移的角度看，两种坝型的各位移的计算结果均在同一量级上，最大位移发生的几何位置基本相同，沿坝高分布规律相同，反映出浇筑式与碾压式沥青混凝土心墙各运行工况下，其位移性状是一致的，与心墙材料性状无关。

2.2 应 力

2.2.1 坝体大、小主应力

图6给出了满蓄期浇筑式沥青混凝土心墙坝25℃时的大、小主应力的等值线分布。由图6可知其大主应力极值为2.20 MPa，小主应力极值1.16 MPa。

图7为满蓄期碾压式沥青混凝土心墙坝25℃时的大、小主应力等值线分布。大主应力极值为2.24 MPa，小主应力极值为1.14 MPa。

大、小主应力沿坝高递减而增加，在坝基处达到最大。在心墙上下游界面邻区，大、小主应力等值线分布形态急剧变化，表明心墙内主应力产生了降低，原因在于心墙变形模量小于堆石，其变形受坝壳约束，产生拱效应作用所致。

2.2.2 沥青混凝土心墙的大、主应力

表2给出了不同温度下，浇筑式与碾压式沥青混凝土心墙大主应力极值统计，心墙中大、小主应力均为压应力，无拉应力产生。大、小主应力值均在已建工程的经验范围内。

图8给出了25℃时满蓄期浇筑式沥青混凝土心墙坝的大、小主应力沿高程分布。由图8可知大、小主应力沿坝高递减而增加，在坝基处达到最大。其大主应力极值为1.65 MPa，小主应力极值1.38 MPa。

图8同时给出了25℃时满蓄期碾压式沥青混凝土心墙的大、小主应力沿高程分布，大主应力极值为2.76 MPa，小主应力极值为1.68 MPa。

图6 25℃浇筑式沥青混凝土心墙坝满蓄期大、小主应力等值线图

图7 25℃碾压式沥青混凝土心墙坝满蓄期大、小主应力等值线图

图8 25℃碾压式与浇筑式沥青混凝土心墙满蓄期大、小主应力沿高程分布

从大小主应力分布规律来看，两种类型心墙是一致的，但浇筑式沥青混凝土心墙的大、小主应力均明显低于碾压式沥青混凝土心墙，其原因在于浇筑式沥青混凝土的变形模量低于碾压式，并为过渡层所约束，拱效应作用导致沥青心墙的部分竖向应力传递到坝壳，造成了浇筑式心墙大主应力极值低于碾压式心墙。

两种坝型中由于受水荷载的影响，满蓄期的大、小主应力均大于竣工期。

2.2.3 沥青混凝土心墙的应力水平

应力水平是判别材料极限平衡区的一项重要指标。表2给出了浇筑式与碾压式沥青混凝土心墙坝两种坝型、典型剖面的应力水平分析成果。

图9给出了坝体应力水平等值线分布，两种类型的分布规律基本相同，浇筑式的最大应力水平值位于坝高下部五分之一坝高处，其极值为0.42。碾压式的最大应力水平位于心墙底部，其极值为 0.46。

表2给出了浇筑式和碾压式沥青混凝土心墙的应力水平统计值，其量级均未超过0.5，表明两类心墙具有较高的安全储备。不会因沥青混凝土配合比的差异给大坝安全带来不利影响，因此大坝及沥青混凝土心墙结构具有足够安全性。

图9 25℃不同沥青混凝土心墙坝满蓄期应力水平等值线图

由以上对浇筑式与碾压式沥青混凝土心墙坝应力应变分析不难看出：大坝的应力应变性态，受心墙沥青混凝土材料性质影响较小，采用两种心墙材料所得大坝的应力变形规律变化不大。

3 坝料工程特性对沥青混凝土心墙坝应力应变性状的影响

为研究坝体材料性能对沥青混凝土心墙坝应力应变性态的影响，选用相同的沥青混凝土，而不同的坝体填筑材料，对标准剖面(图1)，进行二维有限元分析，计算参数见表2，所得结果见图10。

图10 不同坝料时沥青混凝土心墙水平位移沿坝高分布

由图10可知：同种坝壳料(坝料1或坝料2)时，浇筑式与碾压式沥青混凝土两类心墙的同种位移分量基本相同；对不同坝壳料(坝料1与坝料2)时，对应的沥青混凝土心墙的水平位移值相差较大。例如同为满蓄期，当坝体为坝料1时，两类沥青混凝土心墙的垂直位移均在25 cm左右，向下游的水平位移皆为16 cm左右；当坝体为坝料2时，两类沥青混凝土心墙的垂直位移皆为68 cm左右，向下游的水平位移皆为30 cm左右。这充分显示出不同坝壳料时沥青混凝土心墙位移性状的影响，显然沥青混凝土心墙的位移是由坝壳料的工程性质所控制，与心墙沥青混凝土的性质关系不大。

沥青混凝土心墙为当地材料坝的防渗主体，嵌固于坝壳料中间，作为一种受力结构构件，在施工期，它承受着自重应力和受两侧坝壳约束产生的近乎对称侧向应力；蓄水运行期，将增加承受由库水产生的单边侧向水压力，上游堆石体还将承受浮托力作用。由于沥青混凝土心墙厚度较薄，仅占坝体中的很小部分，且其变形模量远低于坝体填料，受力以后的应力应变性态完全受控于两侧坝体，且保持着与坝体的变形协调。因此，沥青混凝土心墙仅为一传力结构，并发挥其防渗功能。

4 结 论

(1) 通过以上研究，在相同坝料条件下，浇筑式沥青混凝土心墙坝与碾压式沥青混凝土心墙坝的应力应变性态几乎无差别，大坝的工程性态是由坝壳料性能所控制，心墙沥青混凝土自身的性能的影响较小，这表明沥青混凝土心墙，在大坝中是传力结构和防渗结构，控制填筑坝体性状优劣是大坝安全的保证。

(2) 不论心墙采用何种沥青混凝土，相同坝壳料和坝高条件下，大坝的应力应变性状各指标具有相同的量级，这表明大坝的应力应变性态，受心墙沥青混凝土材料性质影响较小，采用两种心墙材料所得大坝的应力变形规律变化不大。

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Stress and Deformation Characteristics of High rockfill Dam with Asphalt Concrete Core

YU Lin

(XinjiangWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignResearchInstitute,Urumqi,Xinjiang830000,China)

Study stress and strain of one hundred meters pouring and rolling compacted dam with asphalt concrete core is of great significance to the development of high dam with asphalt concrete core. Through plane finite element analysis, the results show that the dam stress and strain state obviously controlled by filling of the dam material properties, and stress and strain is less affected by the properties of asphalt concrete, stress and deformation rules did not change by two kinds of core materials of the dam.

asphalt concrete; pouring; rolling type; dam of core wall; stress and strain

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.022

2016-08-01

新疆水利水电工程重点学科资助项目(XJZDXK-2010-02-12)

余 林(1989—)，男，四川达州人，硕士，工程师，主要从事应用当地材料筑坝的研究工作。 E-mail：781060626@qq.com

TV641.4+1

A

1672—1144(2016)06—0107—06