尼雅水库坝体分区研究

王相峰

（1.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

尼雅水库是尼雅河上控制性工程，是以灌溉、防洪为主，兼顾发电的综合性水利枢纽工程。工程等别为中型Ⅲ等。工程由拦河坝、表孔溢洪道、导流泄洪冲沙洞、发电引水系统及电站厂房等建筑物组成。水库总库容4069万m3，正常蓄水位2663 m，死水位2615 m，电站总装机6MW。大坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，坝顶高程2672.8 m，最大坝高131.8 m。坝顶宽度10 m，上游坝坡 1∶2，下游坝坡 1∶1.8。

由于工程位于山区河段，河道内砂砾料储量不能满足坝体填筑要求，需要爆破山体采集石料用于坝体填筑（爆破山体采集的石料，后文中称堆石料）。通过对两种填筑料进行实验，发现两种填筑料的物理力学性质存在一定差异，为探究这种差异会对坝体工作性能造成多大影响，并合理布置两种填筑料的填筑范围，设计了四种方案对坝体进行有限元计算分析。

1 坝体分区方案设计

尼雅水库坝体填筑分为砂砾料区、过渡料区、沥青混凝土心墙、堆石料区，上游围堰与坝体相结合布置，大坝沥青混凝土防渗体采用垂直布置。大坝标准剖面如图1所示。根据工程现场填坝材料的情况，提出了四个分区填筑设计方案，四个方案的沥青混凝土心墙和心墙两侧的过渡料都不变，只是砂砾料和堆石料的填筑范围不同。方案一：坝体内部用砂砾料，靠近坝面位置用堆石料，砂砾料和堆石料界线坡度1∶1，见图2；方案二：上游坝体全用砂砾料，下游坝体全用堆石料，见图3；方案三：上游坝体全用堆石料，下游坝体全用砂砾料，见图4；方案四：坝体内部用砂砾料，靠近坝面位置用堆石料，砂砾料和堆石料界线坡度 1∶1.5，见图 5。

图1 大坝标准横剖面图

图2 方案一 坝体分区及各分区材料

图3 方案二 坝体分区及各分区材料

图4 方案三.坝体分区及各分区材料

图5 方案四.坝体分区及各分区材料

2 模型及材料参数的选用

2.1 筑坝材料本构模型

大量的研究表明心墙沥青混凝土和砂砾石坝料的变形，不仅随剪应力水平而变化，也与加载应力路径密切相关[1]，应力应变关系表现出明显的非线性特性，目前国内外均通过坝料的三轴试验的剪应力与轴应变的关系来反映材料的非线性性质，比较多的选用邓肯-张模型[2]。为安全起见，大多数沥青混凝土心墙坝较为普遍的采用邓肯-张的E～μ进行有限元分析，以切线变形模量Et和切线泊松比μt为计算参数，其中切线变形模量Et的表达式为：

切线变形模量Et的公式中共包括5个材料常数K、n、φ、c、Rf，式（1）将变形与坝料的强度统一到一起，充分放映了材料的本构关系。

邓肯等人根据大量三轴试验中轴应变ε1与侧向应变-ε3之间也存在双曲线关系，提出了切线泊松比的数学表达式：

μt为切向泊松比，它不是常量，而是应力的函数，由三个材料参数G、F、D来确定。

式（1）、式（2）就构成邓肯-张的 E～μ 模型[3]，其 8个参数完全可以通过常规的三轴常规试验来获取。由于该模型及其参数具有明确的物理意义，易为工程技术人员所接受，而且现在已应用了多年，积累了较为丰富的运用经验和资料，可以获得基本满意的土石坝应力应变分析结果，能够反映出坝体的工作性状[4]。

2.2 计算几何模型

选用河床最大剖面作为计算剖面进行坝体单元划分，大坝有限元网格采用四边形单元和三角形单元。沥青混凝土心墙单元最大几何尺寸2.9 m，坝体单元最大几何尺寸为14 m。图6给出了方案一有限元网格剖分，大坝的有限元网格共有单元2567个（其中：坝壳1467个单元，过渡区328个单元，沥青混凝土心墙164个单元），结点2694个。

计算分为竣工期和满蓄期两种工况。坝基砂砾石作为已存在部分（只具有初始应力）。加载过程：大坝坝填筑分为17级，蓄水分为4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[5]。

图6 方案一网格图

2.3 材料参数

利用三轴仪，对坝体各种材料，进行了三轴实验，并对实验数据进行分析后得到各种材料的邓肯-张模型参数，见表1，同时从表中可以看出，相比于堆石料，砂砾料的K值要大一些，也就是说整体表现的偏硬一些，主要原因是河床的砂砾料经过雨水冲刷，力学性质偏软的颗粒被分化或者携带至河道下游。

表1 各种材料参数

3 计算结果分析

将表1中的材料参数带入四个设计方案，并进行有限元模拟计算后，提取出了每个方案的坝体的变形和应力应变的极值。

表2列出了方案一、二、三的变形和应力水平的极值，图7和图8给出了满蓄期和竣工期心墙水平向位移沿坝高的分布。从表2中可以看出，无论是竣工期，还是满蓄期，方案三的竖向位移是最大的。从图7和图8可以看出，方案一和方案二的心墙在竣工期的水平向位移都在心墙轴线附近，最大不超过5 cm，而方案三心墙在竣工期有明显的向上游位移，最大达到了13.33 cm，满蓄期在向下游水压力的作用下，仍有少许的向上游偏移，主要原因是方案三上游坝料全是力学性质不太好的爆破堆石料。如果选用方案三，那么其上游坝坡存在失稳的可能性，特别是在坝前水位下降时，则存在更大的安全隐患，因此首先放弃方案三。在竣工期和满蓄期，方案二的竖向位移极值都大于方案一，而且在满蓄期方案二心墙的水平向位移竟然接近方案一的二倍，从图8也可以看出在竣工期方案二的心墙就有向下游变形的趋势，这也反映出如果下游全部用堆石料，对坝体的变形的影响也是不利的，同时从表2可以看到，在竣工期方案二坝体中某些部位的应力水平达到了0.99，安全储备较低。因此，也放弃了方案二。

图7 满蓄期各个方案心墙水平位移沿坝高分布图

图8 竣工期各个方案心墙水平位移沿坝高分布图

表2 方案一、二、三变形和应力极值对比表

基于对方案一、二、三的分析，我们更倾向于将方案一作为推荐方案。从经济上和坝体工作性状上考虑，坝体填筑时尽量多使用河床砂砾料是有利的。然而有受限于工程现场料场的情况，因此又设计了方案四进行对比分析。表3，给出了方案一和方案四计算结果的对比情况。可以看出，在竣工期和满蓄期，方案一中坝壳和心墙位移极值，都稍小于方案二。两个方案中大小主应力和应力水平都差别不大。因此最终将方案一作为推荐方案。

表3 方案一、四变形和应力极值对比表

4 结语

本文使用有限元方法，对尼雅水库沥青混凝土心墙坝的各个方案进行分析后，得到了以下结论：

（1）坝体材料填筑分区的不同，对大坝工作性态有很大的影响，如果材料分区不当，坝体的运行将存在一定的安全风险。

（2）将力学性能不好的材料完全填筑上游或者完全填筑下游，都对坝体稳定不利，坝体填料无论性能如何，尽量沿坝轴线上下游对称布置。