两河口心墙堆石坝不同堆石分区方案对坝体应力变形影响分析

周正军，朱先文，韩 永，姜媛媛

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

堆石坝具有就地取材、对复杂地质条件有良好的适应性、施工方法简单以及抗震性能好等优点，是世界坝工建设中最为广泛采用的坝型［1］。两河口心墙堆石坝坝址附近主要为粉砂质板岩、变质砂岩以及变质粉砂岩夹板岩，如何因地制宜地采用坝址区附近的堆石料是两河口大坝筑坝需要考虑的问题。本文主要针对不同堆石分区方案进行了数值计算分析，以期为大坝的分区及变形控制提供参考。

1 工程概况

两河口水电站以发电为主，控制流域面积6.57万km2，水库正常蓄水位2 865 m，相应库容101.5亿m3，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力，电站装机容量300万kW。

拦河大坝采用砾石土直心墙堆石坝，坝顶高程为2 875.00 m，最大坝高为295.00 m。坝顶宽度16 m，上游坝坡为1∶2，下游布置“之”字路，综合坡比大于1∶1.9。防渗心墙顶宽6 m，底宽141 m，心墙料采用宽级配砾质土。心墙与两岸坝肩接触部位的岸坡基岩表面设厚度为1 m的混凝土盖板，盖板与心墙连接处铺设水平厚度4 m的接触黏土。心墙上游设置两层水平厚度为4 m的反滤层，下游设两层水平厚度为6 m的反滤层，上下游坡比与心墙坡比相同，均取为1∶0.2。上下游反滤层与坝体堆石之间设置过渡层，上下游坡均为1∶0.4。过渡层外侧为堆石区，堆石料主要采用粉砂质板岩、变质砂岩以及变质粉砂岩夹板岩。

2 堆石分区的影响分析

2.1 材料参数

利用数值计算方法，采用邓肯-张模型分析堆石分区对大坝应力变形的影响。各分区填筑料的物理力学参数如表1所示。

表1 堆石料高压大三轴试验E-B模型参数成果

2.2 堆石分区计算模型

坝壳堆石料一般遵循的分区设计原则为：坝顶部位、坝壳外部及下游坝壳底部、上游坝壳死水位以上为坝坡稳定、坝体应力变形、坝体透水性、抗震要求较高的关键部位，设置为堆石料Ⅰ区，采用具有较高强度指标、透水性好的优质堆石料；其他部位对石料强度指标及透水性要求可适当降低，根据料源可设置为堆石料Ⅱ区。

为分析两河口坝体堆石分区范围对坝体应力变形的影响，以基本方案为基础（见图1），考虑扩大堆石Ⅱ区。其中，方案1中堆石范围变化（见图2）为：下游坝壳内部高程2 630.00～2 803.00 m之间设置为堆石Ⅱ区，其外坝壳采用堆石Ⅰ区料填筑；方案2中堆石范围变化（见图3）为：上游坝壳内部高程2 658～2 775 m之间增设堆石Ⅱ区，下游坝壳内部高程2 630～2 775 m之间，设置为堆石Ⅱ区，其外坝壳采用堆石Ⅰ区料填筑。

图1 堆石分区及计算模型网格（基本方案）

图2 大坝结构分区（方案2）

图3 大坝结构分区（方案3）

2.3 结果分析

2.3.1 坝体变形规律

三种方案竣工期和蓄水期的沉降变形、水平变形规律均符合心墙堆石坝变形的一般规律。对比三种工况，整体上，最大沉降变形和最大水平变形在工况3最大；水荷载对大坝的水平变形影响显著，其中工况3影响最明显，其次是工况2。各工况最大变形值如表2所示。

表2 坝体最大变形值

心墙与堆石之间由于模量差异存在变形不协调的问题［2］。其中，由材料模量差异引起的心墙拱效应是坝体变形控制所需关注的技术问题之一。图4和图5分别显示了在施工填筑期和蓄水期三种工况的竖向压力分布等值线。由图4～5可知，在已有土石料填筑的基础上，坝体心墙区存在拱效应，填筑完成后三种工况的拱效应系数比较接近，平均拱效应系数约为0.78；在库水作用下，此时最小拱效应系数为0.67，出现在工况2中。文献［3］指出，当心墙承受的竖向压力只有相邻坝壳竖向应力的20%～50%时，就有产生坝体横向水平裂缝的风险。由此可知，三种分区对心墙与堆石变形不协调都有较好的适应性，其中，适当采用堆石Ⅱ区有利于减小由于材料模量差异产生的心墙拱效应。

图4 竣工期坝体的竖向应力分布

图5 蓄水期坝体的竖向应力分布

变形倾度可用来评价坝体整体的不均匀沉降情况［4］。由图6～7可知，在三种方案中，坝体的不均匀沉降规律相似，最大不均匀沉降约为0.016～0.018，且位于坝体内部。通过对比三种工况量值的发展可知，采用变形模量较大的岩体（方案1）堆石区的不均匀沉降要略小于其他两个方案。在三个方案中，因为材料分区和水荷载产生的不均匀沉降均控制在合理范围内，不均匀沉降较大的区域未延伸至坝面。

图6 竣工完成后坝体的变形倾度分布

图7 蓄水完成后坝体的变形倾度分布

2.3.2 工程类比分析

世界各地已建成的几座高心墙堆石坝蓄水后实测变形情况见表3。在坝体材料为线性弹性体的假设下，坝体的最大沉降变形与坝体高度的平方成正比［5-6］。因此，两河口大坝的沉降变形是合理的。

表3 已建成的几座高心墙堆石坝蓄水完成后的实测变形

3 结论和建议

本文利用数值分析计算了不同分区坝体的变形规律，相关结论和建议如下：

（1）数值计算结果表明，坝体的变形规律符合心墙堆石坝变形的一般规律，为减小因材料变形模量差异而产生的拱效应，应结合过渡分区进行协调；坝体发生显著不均匀沉降的位置位于坝体内部，未发展至坝表面。

（2）两河口心墙堆石坝应力变形特性符合堆石料变形随应力增加平稳过渡的一般规律，与国内已建工程变形特性一致。

（3）由于高心墙堆石坝变形协调机理复杂，仍需结合其他设计措施和施工措施开展更深入和全面的分析。