沥青混凝土心墙坝稳定性有限元分析研究

范颖骅

(浙江省宁波弘正工程咨询有限公司，浙江 宁波 315000)

1 绪 论

随着我国水利工程的不断建设，各种坝型施工技术得到快速发展。但近年来因地形多样、地质条件复杂等因素，混凝土坝发展受到限制。在复杂坝址条件下的土石坝急剧增多，其中防渗体选用心墙的土石坝得以快速发展，已经成为坝工设计的一个新方向。众所周知，我国多地区多雨高寒、缺少黏土、地震频发等，在这种水文地质条件下宜设计为沥青混凝土心墙土石坝，主要特点表现为沥青混凝土作为防渗体，防渗性能良好、抵抗冲击力强、施工速度快、塑性性能好、耐久性和裂缝自愈能力突出，尤其在多雨湿润及严寒地区能够快速施工。因沥青混凝土心墙防渗结构拥有众多优点，和施工技术的大力推广，在坝工界已成为土石坝筑坝技术的新亮点[1]。

2 有限元模拟原理

2.1 施工过程模拟

沥青混凝土心墙坝坝体与心墙是分层碾压，荷载施加为逐层加载的过程，同步碾压时心墙体和堆石体的施工加荷即自重如图1。

图1 土石坝逐级加荷施工

在高土石坝模拟施工时中采用逐级加荷，至少分8—10级。有限元计算采用增量法，可使每一层坝体应力应变和实际相符，施工时大坝结构的变化，充分体现材料非线性特性。

2.2 蓄水过程模拟

随着库水位上升水压力增高，荷载施加至少分3-4级。因上游堆石料的透水性，蓄水期水压力通过坝壳料直接作用于沥青混凝土心墙。水压力在每层坝面的荷载施加如图2所示。

图2 逐级施加水荷载示意图

3 工程实例

3.1 工程概况

某水电站位于四川省境内，主要以发电为主，兼顾生态灌溉、旅游等综合效益。水库正常蓄水位2325.00m，死水位2305.00m，坝顶高程2329.20m，坝顶长215.36m，坝顶宽12.0m，总库容1.4亿m3。枢纽建筑物主要包括溢洪道、沥青混凝土心墙坝、厂房及左岸输水系统等。

3.2 几何模型

ADINA软件在建模时遵循从“点到线，线到面，面到体”原则，模型中X轴是坝轴线方向，指向左岸为正；Y轴是水流方向，指向下游为正；Z轴是坝高方向，垂直向上为正。大坝模型共划分53395个节点，36479个单元。大坝有限元模型和心墙剖面网格如图3和4所示。

图3 土石坝三维有限元模型

图4 心墙剖面网格剖分图

3.3 计算参数

大坝沥青混凝土心墙、堆石区，过渡区及基岩覆盖层采用邓肯-张E-B模型参数，坝体底部基岩定义为线弹性材料，各材料的参数情况见表1。

表1 大坝材料计算参数表

3.4 计算工况

根据大坝施工、蓄水不同时段，计算分为两种工况：

1)竣工期：荷载为坝体自重。

2)蓄水期：荷载为大坝自重和上游水压力。

坝体上游面按7级施加水荷载，实现蓄水全过程荷载施加。大坝竣工期和蓄水期模拟共分22级完成[2-3]。

4 计算结果

坝体静力计算结果规定如下：压应力为负，拉应力为正，水平位移顺水流方向为正，竖直方向向上为正，坝轴线方向指向右岸为正。

4.1 竣工期、蓄水期计算成果

竣工期在筑坝材料的自重作用下，大坝产生竖直位移和水平位移，其应力应变结果见图5-图8所示，因文章篇幅受限，文章只展示竣工期大坝位移应变计算结果。

沥青混凝土心墙坝在竣工期、蓄水期时的静力计算结果见表2。

图5 竣工期坝体竖直位移等值线图

图6 竣工期坝体水平位移等值线图

图7 竣工期坝体大主应力等值线图

图8 竣工期坝体小主应力等值线图

表2 坝体不同工况静力计算结果表

由图可知，竣工期坝体最大沉降为67.35cm，约在坝体中部偏上游位置。水平位移成对称分布，坝体向上、下游的位移分别为5.62cm，5.64cm，都处于坝体中部约2/5坝高位置。坝体大主应力最大值为2.75MPa，在心墙基座与坝体接触位置，呈规律性变化，无拉应力。坝体小主应力最大值为-0.52MPa，出现在1/5坝高中部靠近心墙处[4]。

蓄水期坝体最大沉降是62.36cm，因受水压力作用，坝体整体向下移动，坝体上、下游部分位移为4.36、12.24cm，坝体大、小主应力最值为-3.58MPa和-0.92MPa，发生位置基本和竣工期一致。

4.2 心墙的特征对比值

不同工况的沥青混凝土心墙坝施工过程的心墙中心剖面位移应力最大值见表3。

表3 沥青混凝土心墙竣工期、蓄水期计算结果

5 结 论

基于有限元分析和邓肯—张E-B模型原理，结合工程实际，运用ADINA软件建立数值模型，分级进行荷载施加分析竣工期和蓄水期下的沥青混凝土心墙坝的三维静力分析，得出大坝最大断面和沥青混凝土心墙最大断面的应力应变的影响和大坝安全性分析。由计算结果可知，该沥青混凝土心墙坝和高边坡是安全稳定的。