填筑方法及水位变化对土石坝应力变形的影响

符碧君

（景德镇玉田水库管理处，江西 景德镇 333000）

对于岩土体材料，水是影响其抗剪性质最主要的因素，土石坝在长期的水位变化过程中，坝体内部发生渗流作用，影响着土石坝材料特性，进而对土石坝的稳定性造成影响[1-3]。

由于岩土体特殊的性质，其变形处于非线性的，这种非线性变化不仅与自身材料属性有关，还受到外在荷载等的影响[4-5]。土石坝的应力应变受到多种因素的影响，土石坝的填筑方式对土石坝的变形与应变影响较为明显，不同的水位情况下，土石坝的应力应变也将有很大差异[6-8]。

本文利用有限元Abaqus软件，对黏土心墙坝体进行分析，对不同填筑方式和水位变化下的土石坝进行应力应变分析。

1 模型的建立及模型参数

某小型农田水库总库容900万m3，主要任务是为该地区的农田提供灌溉需要，大坝高50m，正常情况下，库容量810万m3，后期因人口迁移，村庄合并，农田统一管理，原水库库容难以满足实际灌溉需求，需要对水库进行扩建。拟设计水库库容1600万m3，拟采用掺砾黏土心墙土石坝，坝顶宽6m，坝高50m，心墙采用混凝土盖板，设置两层反滤层，坝壳料为堆石体。

对研究区勘察资料进行整理，选取库岸的某个典型断面进行分析，对坡面进行适当简化，库岸断面结构如图1。

图1 库岸地质剖面图

库岸岸坡为黏土心墙土石坝，依据相关试验及规范[9]，对岩土体相关物理参数进行经验取值，土体采用非线弹性的邓肯张模型，坝坡相关的物理力学参数如表1。

表1 坡体相关物理力学参数

由于岩土体的非线性特性，土石坝的变形受到多种因素影响，土石坝的填筑方法对其应力变形影响较大，对利用Phase2有限元软件，对不同填筑方法情况下黏土心墙土石坝进行渗流和稳定性分析。

2 加载与分层填筑

2.1 一次性加载

在坝体填筑过程中，采用的加载方式为一次性加载，即在坝体填筑完成后对坝体施加荷载。一次性加载时坝体最大断面如图2。

图2 一次性加载坝体最大断面

根据图2得出，①坝体的最大竖向位移为坝体中部，最大位移38.72cm，坝体竖向位移以坝轴线为对称分布，离坝体中部越远，坝体的沉降量越小，坝高越大，竖向沉降量越大；②坝体水平方向位移有上游向下游移动，坝体中部位移没有发生明显变化，坝体上游水平位移最大值7.41cm，下游水平位移最大值7.41cm；③坝体的最大主应力以坝轴线为对称分布，坝脚的最大主应力最小，为0.199MPa，坝轴线底部的最大主应力最大，为0.392MPa，大坝处于受压状态；坝体的最小主应力以坝轴线为对称分布，坝脚的最小主应力最小，为7.123kPa，土石坝心墙与坝体连接处最小主应力最大，为0.844MPa，根据云图显示，土石坝呈现拱效应。

2.2 分层填筑

在坝体填筑过程中，采用的加载方式为分层加载，共分为5级，每级加载10m。施工期分层加载时坝体最大断面如图3。

图3 分层加载时坝体最大断面

由图3可知：①坝体的最大竖向位移为坝体中部，最大位移21.52cm，坝体竖向位移以坝轴线为对称分布，离坝体中部越远，坝体的沉降量越小；②坝体水平方向位移有上游向下游移动，坝体中部位移没有发生明显变化，坝体上游水平位移最大值2.53cm，下游水平位移最大值2.53cm；③坝体最大主应力以坝轴线为对称分布，坝脚的最大主应力最小，为0.132MPa，坝轴线底部的最大主应力最大，为0.443MPa，大坝处于受压状态；坝体的最小主应力以坝轴线为对称分布，坝脚的最小主应力最小，为8.124kPa，土石坝心墙与坝体连接处最小主应力最大，为0.877MPa，土石坝呈现拱效应。

2.3 对比分析

针对上述两种不同加载方式下坝体计算结果，进行对比分析。计算结果对比如表2。

表2 计算结果对比

由表2可知，不同加载方式情况下，土石坝的沉降量有明显区别，水平位移相差不大，最大主应力和最小主应力分布情况大致相同，沿坝轴线对称分布。由此可见，土石坝在填筑过程中，采用分层填筑方式，能有效降低土石坝的沉降，减小土石坝变形量。

3 蓄水过程

分层填筑土石坝后，蓄水过程中，库水位上升，计划40d蓄水到40m高度，对土石坝应力应变进行分析。

3.1 位移分析

蓄水时坝体最大断面位移计算如图4。

图4 蓄水时坝体最大断面位移计算

土石坝经过分层填筑后，水库进行蓄水，蓄水结束后坝体最大竖向位移21.79cm，最大水平位移3.43cm，相比于竣工期，竖向位移稍有增加，水平位移增加量较大，由此可知，坝体的沉降主要由填筑方式引起的。

3.2 应力分析

蓄水时坝体最大断面应力计算如图5。

图5 蓄水时断面应力计算

从图5可知，水库蓄水后，坝体最大压应力0.461MPa，坝体最大拉应力0.322MPa，蓄水后，坝体的最大主应力分布不再呈现对称分布；水库蓄水后，最小主应力为压应力，大小9.09MPa，相比于竣工期稍有提高，最小主应力为拉应力，大小0.171MPa。水库蓄水后，应力分布不再呈现对称分布，拱效应消失。

4 水位下降过程

水库蓄水后，逐渐降低库水位，对库水位下降过程中的土石坝进行应力应变分析。

4.1 位移分析

水位下降时坝体最大断面位移计算如图6。

水位下降后，坝体的最大竖向位移为22.96cm，相比于蓄水时的最大竖向位移21.79cm有所增加，而水平向位移几乎不变。

图6 水位下降时坝体最大断面位移计算

4.2 应力分析

水位下降时坝体最大断面应力计算如图7。

水位下降后，在坝体上游最大主应力和最小主应力有明显变化，但在坝体下游，最大主应力和最小主应力几乎不变。

5 结语

（1）利用有限元Abaqus软件，对黏土心墙坝体进行分析，对不同填筑方式和水位变化下的土石坝进行应力应变分析。

（2）对一次性加载和分层加载两种方式下的土石坝进行应力应变分析，计算得到分层加载时，土石坝的沉降量21.52cm，远远低于一次性加载时的沉降量，分层加载的填筑方式更适合工程需要。

（3）水库蓄水后，土石坝竖向位移无明显变化，水平位移增加较大，上游坝体的应力影响较大，下游坝体应力影响较小，拱效应消失。

（4）水位下降后，土石坝的竖向位移和水平位移无明显变化，在坝体上游最大主应力和最小主应力变化明显，但在坝体下游，最大主应力和最小主应力均无明显变化，水位下降时对上游坝坡的稳定不利，需要加强防护。