土坝位移沉陷分析

齐晓华

（山西省汾河水库管理局山西太原030032）

1 工程概况

某均质土坝挡水建筑物坝顶高程75.3 m（本文高程均为相对高程），最大坝高为63.8 m，坝顶宽度为6 m，采用混凝土路面，坝底宽为209.9 m，上游坡比1∶1.6，下游坡比1∶1.75，下游坝坡在高程为50.0 m 处，设置了宽度为2 m 的马道。土坝的正常蓄水位为72.0 m，设计洪水位为72.8 m。

2 计算方法

土坝应力应变采用二维非线性有限元计算分析法，基本机制原理是将复杂问题简单化后，通过数学中近似的方法对实体进行模拟接近真实结果，其具有计算精度高、适合各种复杂的形状、方便性、实用性、有效性的优点，因而成为一种行之有效、应用广泛的数值分析方法。

有限元分析法能真实模拟坝体逐级加荷施工过程、分析材料的塑性、剪胀（或缩）性、动力特性、计算复杂的边界及空间求解问题，因而接近土坝的实际工作状况。采用此方法可有效快速分析出坝体的位移沉陷等数据及结果。

3 计算分析

采用Duncan-Chang E～B 模型对坝体位移变形情况进行计算分析。

3.1 模型建立

模型拟定水流方向为X 轴，指向下游方向为正，Y 轴为垂直方向，指向上为正。

3.2 模拟过程

采用Duncan-Chang E～B 模型来模拟坝体在施工期间、蓄水期间、运行期间、洪水期间因荷载等因素产生的水平、垂直位移情况，进而得出产生的原因及结果。

施工期间模拟：模拟坝体施工工序的推进及坝体逐渐成型的全过程，模拟随着工序增加和荷载递增对坝体产生的影响，从而可知坝体产生水平、垂直位移，通过计算分析后还可知产生位移的主要原因及结果。

蓄水期间模拟：通过模拟坝体蓄水过程中随着水位的逐步提高坝体水平、垂直位移的变化情况，来分析计算导致水平、垂直位移的主要原因，除此之外还需模拟因蓄水导致材料浸水后是否有水平、垂直位移的变化来判断浸水对位移的影响。

运行期间模拟：模拟蓄水完成后坝体进入稳定渗流期状态下有无水平、垂直位移情况，从而判断变形的主要来源。

洪水期间模拟：模拟设计洪水位时坝体受力情况和坝体有无水平、垂直位移变化，进而判断安全稳定运行的条件。

3.3 荷载计算

坝体施工期间荷载计算分为5 级逐步加载，第1级为基础地应力荷载计算，第2～5 级为坝体在施工填筑过程中荷载加载计算。

坝体蓄水期间荷载计算为第6 级荷载，共分为三小级来加载。第一级水位在26.0 m 时；第二级水位在37.80 m 时；第三级为设计蓄水位72.0 m 时。

当达到设计的蓄水位72.0 m 时，同时也是稳定渗流期荷载的计算过程。

第7 级荷载是当水位达到72.8 m 时的设计洪水位荷载计算过程。

3.4 计算参数

土体容重γ 为22.5 kN/m3，浸水后为23.5 kN/m3；摩擦角φ 为40°，浸水后为38°；破坏比为0.68，浸水后为0.62；弹性模量系数k 为720，浸水后是640；弹性模量指数n 为0.3，浸水后仍为0.3；体积模量系数kb为288，浸水后为200；体积模量指数m 进水前后均为0.08；卸荷切线模量系数kur为1 440，浸水后为1 280。

4 计算结果

以下成果图中箭头所指方向为正，位移单位均为cm，水平位移图数字为正即表示土体向下游方向移动，垂直位移图数字为负即表示土体垂直向下沉陷。

4.1 施工期

施工期坝体材料的自重为主要荷载。在施工过程中水平位移主要变化为上下游横向独立扩展，即上游和下游各自沿着上下游方向横向变化，当施工完成后达到了水平方向位移的最大值（上游负向位移13.0 cm，下游正向位移10.6 cm），见图1。

在填筑过程中垂直位移的变化趋势为：垂直位移沉降量随着填筑坝体的不断增高逐渐增大，当施工完成后达到最大即35.3 cm，发生沉降的部分主要在坝体中部，见图2。

4.2 蓄水期

经计算分析后，蓄水期产生位移主要原因是由坝体自身重量及水压力造成，水平位移和垂直位移详细情况如下：

水平位移：当蓄水位达到26.0 m 时见图3，上游的水平负向位移逐渐增大，下游的水平位移逐渐减小，由此可知浸水后的变形与基础上的水荷载作用较大。当蓄水位达到37.8 m 时见图4，上游的水平负向位移达到最大值20.9 cm，下游的水平位移开始逐渐增大，由此可知影响水平位移的主要因素为水压力和浮托力。随着水位持续升高，下游的水平位移持续增大，水压力的作用更加明显。

垂直位移：当蓄水位达到26.00 m 时见图5，垂直位移急剧增大，沉降最大区域集中在上游。当蓄水位达到37.8 m 时见图6，垂直位移沉降达到48.9 cm。随着水位持续升高，垂直位移沉降持续增大。

图1 竣工期的水平位移

图2 竣工期的垂直位移

图3 蓄水位达到26.0 m 时水平位移

图4 蓄水位达到37.8 m 时水平位移

图5 蓄水位达到26.0 m 时垂直位移

图6 蓄水位达到37.8 m 时垂直位移

4.3 稳定渗流期

当蓄水完成后，开始进入正常运行阶段，此阶段即为稳定渗流期。经计算分析可知此时产生水平、垂直位移主要作用的荷载来自于坝体自重和正常蓄水压力。

水平位移：水平位移趋势为，上游区间向上游区间水平位移，下游区间向下游水平位移，最大位移量为22.0 cm，见图7。

垂直方向见图8，垂直位移沉降为52.2 cm，主要发生在坝体中部。

4.4 洪水期

洪水期水平位移和垂直位移计算分析主要从设计洪水位进行，通过分析造成坝体位移的原因、变化特点来判定使坝体安全稳定运行的条件及状态。

当水位到达设计洪水位时，水平位移幅度大于正常蓄水位时最大数值，下游区间的水平位移可达23.0 cm（见图9），垂直位移沉降52.2 cm（见图10），垂直位移沉降几乎没有变化。

图7 稳定渗流期水平位移

图8 稳定渗流期垂直位移

图9 设计洪水位时水平位移

图10 设计洪水位时垂直位移

5 结论

5.1 坝体水平位移

通过计算分析后可知坝体水平位移在蓄水过程中变化范围较明显，位移范围为9.25～22.0 cm。随着蓄水位的不断提升，位移呈现出从上游向下游转移的现象，当蓄水位达到设计水位线72.0 m 时，位移达到最大值且出现在顺水流方向的下游区间，峰值为22.0 cm。

5.2 坝体垂直位移

通过计算分析后可知坝体垂直位移沉陷随水位的升高而增大，当水位达到设计水位线72.0 m 时，坝体垂直位移沉降为52.2 cm，当水位到达设计洪水位时，垂直位移沉降变化不大。

6 建议

基于以上的计算结果及成果分析，浸水导致的变形往往会使坝顶形成不均匀的沉降，从而引起横向伸长变形甚至裂缝，因此浸水变形是导致坝体裂缝的重要因素之一，建议对大坝的蓄水期及运行期强化观测监控，以保证大坝安全运行。