浅析碾压含水率对黄土均质坝应力变形的影响

刘顺萍 赵晓曦

1 工程概况

某工程为西北地区拟建一座大（2）型注入型调节水库，坝址位于黄土丘陵区的冲沟上。坝址附近缺少筑坝堆石料，地表广泛分布各种成因的黄土，周边土料极为丰富，为充分利用当地材料，节省工程投资，经技术经济综合比选，拟推荐采用黄土均质坝。

该均质坝最大坝高110 m，坝顶宽10.0 m，上、下游坝坡坡比为1∶3.0，每隔15 m设一级水平马道，共五级，每级马道宽度均为5.0 m，上、下游综合坝坡均为1∶3.3。上游坝坡采用干砌石护坡，厚度1.0 m，下设0.4 m厚碎石垫层。下游坝坡采用干砌石护坡，厚度0.3 m，下设0.1 m厚碎石垫层。为有效降低坝内浸润线，同时减小施工期孔隙水压力，在大坝中心线下游侧设竖向综合反滤排水层，水平厚度5.0 m，边坡系数1∶0.5。下游坝脚处设梯形排水盲沟，底宽4.0 m，边坡1∶4.5。坝内竖向排水、坝基水平排水、坝脚处梯形排水盲沟以及下游顺河向排水管形成完成的排水系统。为了研究黄土均质坝的应力变形规律，给工程设计提供参考，采用二维有限元方法，对大坝竣工期和满蓄期黄土均质坝的应力变形进行模拟分析。如图1所示。

图1 大坝典型剖面

2 地质情况

坝址区出露新近系甘肃群（N1G）和第四系（Q4）地层、第三系（Q3）地层，地表多被第四系松散堆积物覆盖，下伏新近系甘肃群泥岩、粉砂质泥岩。地层由老到新叙述如下：

新近系甘肃群粉砂质泥岩、泥岩，遇水易崩解，失水干裂，岩石强度低，多为极软岩，局部夹石膏脉，主要出露于两岸冲沟内。

覆盖层地层分别为全新统人工堆积物（Q4r）、河床冲洪积物（Q4alp）、滑坡堆积物（Q4del）及第三系上更新统冲洪积物（Q3alp）、马兰黄土（Q3eol）、中更新统离石黄土（Q2）。

3 计算分析方法

3.1 分析方案

土体的抗剪强度和变形特性主要受其有效应力状态控制，在总应力一定的情况下，孔隙水压力对土的应力变形有显著影响。工程实践表明，土体碾压施工后的饱和度和孔隙水压力，与碾压施工时土料的含水率有关，填土在含水率略高于最优含水率的情况下被碾压密实后，其饱和度一般可超过90%，土体内存在较高的超静孔隙水压力；在含水率略低于最优含水率的情况下被碾压密实后，其碾压密实后的饱和度一般低于85%，往往不存在超静孔隙水压力。因此，在计算过程中考虑以下两种情形：

（1）黄土在含水率低于最优含水率的情况下被压实。计算时近似地认为填筑过程中坝体内孔隙水的总压力为零，运行期再考虑坝体内部的渗流固结等作用。

（2）黄土在含水率略高于最优含水率的情况下被压实。坝体处于近饱和状态，孔隙水相互联通。计算时近似采用饱和渗流固结理论计算，认为坝体表面为给定水头边界（淹没线以下）或自由逸出面。

3.2 分析方法

黄土从颗粒级配上可以归于粉土，天然黄土渗透系数较大，人工压实后的黄土具有良好的防渗性能。黄土均质坝在填筑施工、运行过程中，坝体的应力变形与渗流存在耦合相互作用。本计算采用基于比奥（Biot）固结理论的数值方法来求解土的渗流-固结耦合问题，构建土体平衡方程、孔隙流体流动方程、几何协调条件、土的本构模型和达西定律联立组成的微分方程组，在给定初始条件和边界条件的前提下，可通过数值方法求得计算域内应力变形场和孔隙流体流场的变化过程。大坝填筑堆石体非线性瞬时应力变形计算分析选用了Duncan和Chang等提出的双曲线型非线性弹性模型的E-B模式（简称邓肯E-B模型）。

3.3 计算参数

根据大量室内试验，黄土坝料的渗透系数和应力变形计算参数采取表1、2中数值。

表1 黄土筑坝材料及坝基物理力学参数表

表2 黄土筑坝材料及坝基的邓肯E-B模型参数

3.4 有限元模型

该黄土均质坝的二维有限元网格如图2所示。有限元网格由四节点等参平面应变单元组成，共1 523个 单 元，1 605个 节 点。

图2 某黄土均质坝二维有限元网格

4 大坝应力变形分析结果

大坝在两种计算方案下竣工期和满蓄期应力变形结果见表3。

表3 大坝应力变形计算结果表

限于篇幅，本文仅给出黄土在最优含水率干侧压实时竣工期大坝的应力变形分布图，其余工况不再赘述。图3为大坝竣工期的沉降分布情况，竣工期大坝的最大沉降约为1.61 m。图4为大坝的水平位移分布，竣工期大坝的水平位移基本为对称分布，向上游、向下游的最大水平位移分别为0.57 m和0.60 m。图5为竣工期大坝的有效大主应力分布情况。大、小主应力最大值均出现在坝轴线底部，分别约为2.2 MPa和1.1 MPa。

图3 大坝竣工期的沉降分布（单位：m）

5 结语

本文对黄土均质坝施工和蓄水过程中的应力变形进行了模拟。从计算结果可知，黄土均质坝的应力变形状态在很大程度上取决于碾压施工时黄土料的含水率。若碾压施工过程中的含水率低于最优含水率，则坝体竣工期和运行期的沉降和水平变形均较小；若碾压施工过程中的含水率高于最优含水率，则受坝体内高孔隙水压力的影响，坝体压实困难，黄土均质坝的沉降和水平变形均较大。因此，黄土碾压过程中要高度重视含水率控制，施工碾压时筑坝土料含水率为最优含水率或略低，使土料压实后远离饱和状态降低施工期坝体内孔隙水压力，使坝体在施工期尽量保持一定数量的负孔隙水压力或较低的正孔隙水压力。建议施工期开展不同含水量土料的现场大型碾压试验，以较好确定施工采用的控制含水量、压实干密度。

图4 大坝竣工期的水平位移分布（单位：m）

图5 大坝竣工期的有效大主应力分布（单位：MPa）