某CSGR大坝应力和稳定性分析

(四川大学工程设计研究院有限公司，四川 成都 610065)

胶凝砂砾石坝[1](CSGR)是一种新坝型，基本剖面为上下游坝坡大致对称的梯形，上游坝面采取防渗措施，筑坝材料采用价格低廉的低强度胶凝砂砾石料。这种坝型具有安全性高、抗震性强和对地基条件要求低的优点，而且施工简便、快速，造价低廉，对环境的负面影响小[2]。目前我国对CSGR坝结构特性的研究尚处于理论分析研究阶段，结合实际工程应用的研究成果还不多见[3]。本文介绍了某CSGR坝的应力变形分析成果，可供类似工程参考。

1 工程概况

某水库大坝由左岸挡水坝段、泄洪溢流坝段、右岸挡水坝段组成。坝轴线长167.00 m，坝顶宽6.00 m，大坝坝顶高程 967.00 m，建基面最低高程892.50 m，最大坝高74.50 m。坝体上游坝坡在高程 956.00 m上为铅直、以下为1∶0.6的斜坡，下游坝坡为1 ∶0.6，起坡点高程 956.00 m。

某水库坝址区出露中生界三迭系中统百蓬组地层，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，其中泥质粉砂岩属较软岩。

2 常规法计算

采用材料力学法和刚体极限平衡法[4]，对4号坝段进行坝体及坝基强度、坝体及坝基接触面抗滑稳定性、坝体应力进行分析计算。

4号坝段坝高73.50 m，上游坝面表层采用厚2.50 m的常态混凝土C25W8，坝体内采用胶凝颗粒料强度等级C10，坝基基础采用厚2.00 m常态C20混凝土垫层，背坡采用厚1.00 m常态混凝土C20。坝体与基岩的接触面的抗剪强度摩擦系数f=0.6，抗剪断摩擦系数f′=0.8，C′=0.6 MPa。

坝体稳定计算成果见表1，应力计算成果见表2。

表1 坝体抗滑稳定计算成果

表2 应力计算成果 MPa

注：负值表示压应力，正值表示拉应力。

由以上计算成果可知，坝体抗滑稳定计算安全系数满足规范要求，并有较大富余。在各种设计荷载组合下，坝趾应力均为压应力，且远小于C20混凝土抗压强度设计值(9.6 MPa)；从垂直正应力值看，坝基应力分布均匀且应力数值低，坝基岩体有足够的承载力。

3 有限元计算

某水库胶凝砂砾石坝ANSYS有限元计算[5]过程中，假定坝体一次性填筑完成，通过一次施加坝体自重荷载来模拟施工过程。假定坝基初始地应力由岩体自重产生，不考虑构造应力的影响，通过施加岩体自重的方法模拟初始地应力。各种工况下坝体位移计算成果见表3，应力计算成果见表4。各工况下坝体及坝基应力与变形见图1。

表3 各种工况下坝体特征部位位移 cm

图1 各种工况下坝体及坝基应力与变形

通过分析ANSYS有限元计算成果得到如下的结论。

(1)完建工况下，坝体只有自重作用，无其他外荷载，坝体略向上游变形。竖直位移均为沉降，且随着高程的增加，竖向位移逐渐增加，最大值为-1.620 cm。对于同一高程而言，由于坝体重心略偏向上游，使得坝体上游面变形大于下游面。坝基岩体的竖向位移随着坝基深度的增加而减小。

(2)完建工况下，坝体及坝基的最大主应力σ1均为压应力，由于坝体体型比较对称，其受力基本按照坝轴线对称分布，其值随着高程的增加而减小。

表4 各种工况下坝体特征部位应力 MPa

由于坝体自重的作用，坝体下部坝基的最大主应力大于坝体两侧坝基。在蓄水运行之前，坝体产生向上游变位，使坝踵受压，其值为-2.839 MPa，坝趾处也受压，其值为-2.495 MPa，由于坝体体型较匀称，其两者值相差不大。坝基与坝体的最小主应力σ3全为压应力，且量值随着高程的增加而降低，就同一高程而言，坝体的最小主应力分布较均匀，应力水平均在-0.133 MPa以下。

(3)正常蓄水位工况下，坝体竖向位移均为负值，即向下沉降，且从坝基到坝体，其值随着高程的增加而增大，最大竖向位移为-1.843 cm，出现在上游坝顶。受上游水荷载的影响，坝体的竖向位移较完建工况(-1.620 cm)有所增加。对于同一高程而言，由于坝体上游坡度较缓，上游坝体水重影响较大，加之上游水推力的作用，使坝体上游面竖直向位移大于坝体下游面，坝体向上游变形；对于坝基岩体，由于上游水位比下游水位高很多，上游坝基岩体所承受的水重及水压力更大，因而上游坝基岩体的竖直向位移明显大于下游坝基岩体。在水荷载的作用下，坝体水平位移由完建工况的向上游变位变为正常蓄水位工况的下游变位，由于坝体上游坡度较缓，所承受的水重较大，在坝体中下部有压缩的可能，使得坝体的水平位移最大值出现在坝体上游面中下部。

(4)在正常蓄水位工况下，坝体与坝基的最大主应力均为压应力，其值随着高程的增加而降低，最小值出现在坝顶；就同一高程而言，坝体下游面的最大主应力大于坝体上游面。坝体的最大主应力均为压应力，由于水压力及扬压力的作用，坝踵的最大主应力值为-0.406 MPa，较完建工况的-2.839 MPa大幅降低，坝趾的最大主应力值为-2.737 MPa,较完建工况的-2.495 MPa有所增加。坝体的最小主应力基本为压应力，而且应力水平较低，小于-0.15 MPa。由于上游水荷载的作用，在坝踵处产生了拉应力，其值为 0.913 MPa；坝基岩体的最小主应力大部分为压应力，在坝踵附近有应力集中现象，产生了约 0.33MPa的拉应力。

(5)在设计荷载组合下，坝踵和坝趾处垂直应力均为压应力，应力分布均匀且应力水平低；坝趾处均为压应力，压应力值远小于C15混凝土抗压强度设计值(7.2 MPa)，因此《胶凝颗粒筑坝技术导则》(SL678-2014)推荐参照重力坝设计规范进行应力计算分析的方法较为安全，可应用于工程设计中。

4 结 语

通过使用材料力学法和有限元法计算，得到了某水库胶凝砂砾石坝的应力变形成果。结果表明：某水库胶凝砂砾石坝结构设计较为合理，工程安全性高，抗滑稳定性良好，其应力水平较低，且分布均匀；但在坝踵和坝趾处存在一定的应力集中现象，在工程施工中应确保坝踵、坝趾处的施工质量。