深厚覆盖层黏土心墙坝心墙变形计算分析

吕 智

(塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700)

1 工程实例

1.1 工程概况

某枢纽工程位于西北某省，该工程属Ⅰ等大(2)型工程，由泄洪洞、拦河大坝、电站厂房和引水发电隧洞等重要部分组成。它是以调峰、春旱供水为主并且兼以发电，造福下游人民的大型水利枢纽工程。该工程设计洪水位高程约2970 m，工程总库容达到8.67亿m3，电站总装机容量超过150 MW，年发电量4.7亿kW·h[1]。

1.2 计算模型与计算参数

本文在有限元分析网格图如图1所示，黏土心墙坝单元个数59 923，节点个数79 023，沥青心墙坝单元个数59 812，节点个数78 732，如表1所示，线弹性材料参数如表2所示。

图1 有限元模型

表1 大坝填筑料的E-B模型参数

表2 线弹性材料参数

坝体的特征水位中正常蓄水位为2960.00 m，死水位为2920.00 m，设计洪水位2962.00 m，校核洪水位为2964.43 m，防渗墙厚度为1.0 m。

查证工程资料得知，此工程深厚覆盖层的厚度为147.79 m，为坝体高度的两倍之余，因而计算时必须考虑由覆盖层地基对坝体的沉降及位移的有关影响，还涉及在大坝的分级施工中初始地应力和荷载施加方式对结果的影响。此深厚覆盖层地基历史悠久，工程条件复杂，在此之前早已完成固结沉降，因此就显现出初始地应力影响的重要性。这就要求在坝体有限元分析中必须考虑到初始应力的存在及效应。在ANSYS有限元模型计算时，先计算在坝体不存在的情况下的初始地应力，方法为：在计算过程中，运用“EKILL”命令杀死所有坝体单元。为了更好地反映坝体在施工过程中的应力变形情况，在施工模拟的过程多次求解计算，这样得出的计算结果会与真实情况更为接近[2-4]。

2 结果与分析

2.1 黏土心墙坝计算结果分析

竣工时坝体最大横剖面上的水平位移等值线分布如图2所示，图中位移的符号规定为：竖向位移以向上为正，水平位移以向下游方向为正，单位为cm；应力的符号规定为：压应力为负，拉应力为正，单位为MPa。

图2 最大横剖面水平位移等值线(单位：m)

由图2可知坝体最大沉降为65 cm，发生在将近于坝身段1/2处，坝体向上、下游坝壳挤压变形均为4.8 cm。从最大剖面主应力分布图可知，心墙有较明显的拱作用，但没有拉应力发生。

图3为坝体竣工期纵剖面内沉降及坝轴线方向位移等值线图，从坝轴方向位移结果来看，心墙最大沉降在距坝底1/2处，最大值为0.64 m，左右岸位移相同，这与坝体最大横剖面竖向沉降分布规律相同。坝体变化呈现中央向两岸挤压的趋势[5]。

图3 坝轴线纵剖面轴向位移分布(单位：m)

图4为轴线纵剖面竖向应力分布等值线图。在等值线图中可看出：心墙的第三、一主应力等值线基本在同一高度上，应力分布很均匀。

图4 坝轴线纵剖面竖向应力分布(单位：MPa)

图5为防渗墙纵剖面竖向应力分布图。由于防渗墙嵌入在地基里面，故水平位移较小，防渗墙最大位移发生在顶部，应力水平均偏低；在图中可以看出：防渗墙最大应力发生在中部偏下，在距防渗墙底部2/3处，竖直正应力最大值σy达到7.04 MPa。

图5 防渗墙纵剖面竖向应力分布(单位：MPa)

图6为蓄水期最大横剖面的竖直位移分布等值线。蓄水期大坝明显比竣工期大坝沉降有所增加。在坝体的最大横剖面内，最大沉降量发在坝基含有砂层的坝顶下部的心墙中，最大竖直位移增至66 cm,和竣工期相比增加了1 cm；也是发生在坝身段1/2处；在水压力作用下，坝体向上、下游的水平位移为2.8 cm和6.0 cm，坝体上游面向上游的最大水平位移较竣工期增加12 cm，而坝体下游面向下游的水平位移较竣工期减少2 cm。

图6 最大横剖面竖直位移等值线(单位：m)

图7为蓄水期大坝纵剖面内水平位移和竖直位移分布，第三、一主应力等值线。此时，大坝右岸第一主应力值较小，未产生拉应力。应力分布规律和竣工期相似[6]。

图7 坝轴线纵剖面轴向应力分布(单位：MPa)

图8为蓄水期防渗墙纵剖面轴向应力分布。与竣工期相比，由于水荷载作用，防渗墙向下游水平位移增加较大，最大值增至5.7 cm，竖向位移几近相同。但竖向正应力有所增大，最大应力值σymax为8.12 MPa。这主要是由于水压力作用，最大应力呈变大的趋势，但所得结果都小于混凝土抗压强度。

图8 防渗墙纵剖面轴向应力分布(单位：MPa)

2.2 沥青混凝土心墙计算结果分析

沥青心墙坝竣工期的计算结果主要表现为坝体的最大沉降发生在坝体偏下的心墙中，最大沉降为60 cm。和黏土心墙相比减小5 cm。坝体上下游的水平位移为8.2 cm和6.4 cm。有主应力分布可见，心墙也有较明显的拱作用，但没有拉应力发生。图9为坝轴线纵剖面竖向应力分布等值线图，坝体变化由中央向两岸挤压，其各项计算结果与黏土心墙竣工期分布规律相似。

图9 坝轴线纵剖面竖向应力分布(单位：MPa)

图10为防渗墙横剖面水平位移等值线图。各项计算结果和黏土心墙相同。沥青心墙坝蓄水期的各项计算结果和竣工期相比，蓄水过程大坝沉降有所减少，最大沉降发生在坝及含砂层的心墙下游一侧坝顶附近。

图10 最大横剖面水平位移等值线(单位：m)

图11为防渗墙纵剖面沉降分布等值线图，由计算结果可知，心墙上小主应力的最大值为0.55 MPa，且无拉应力，满足强度要求[7]。

图11 防渗墙纵剖面沉降分布(单位：m)

防渗墙水平位移与竖直应力与竣工期相比，竖向位移变化规律和黏土心墙类似，变化范围不大。但竖直方向正应力减少，最大值σymax为6.07 MPa。

通过黏土心墙坝计算结果和沥青混凝土心墙计算结果分析，可以得到两种方案下计算结果特征数据，如表3所示。

表3 两种方案下计算结果特征数据

3 结 论

(1)施工期大坝的竖向沉降变形为下游位移略微的小于上游，最大值为0.66 m，发生在坝身段将近1/2处；应力等值线图基本平行于坝坡，且从顶部向底部呈现缓慢增大的趋势，在心墙所在位置有明显的应力集中现象。

(2)防渗墙的最大应力不是发生在底部或是顶部，而是在中部靠下，距防渗墙底部1/3处。计算结果合乎工程实践所得规律。

(3)黏土心墙方案和沥青混凝土心墙方案相比，二者的竖向、水平位移、应力以及防渗墙的计算结果显示，分布规律几近相似，但沥青混凝土心墙坝的各项位移数据明显小于黏土心墙坝，而应力结果略有偏大，但都在安全波动范围之内。

(4)从两种方案的计算结果可知：心墙不存在拉应力区，但是在心墙中具有较明显的拱作用。从应力图中得知，心墙的第一主应力较小，分散区域的应力较大，尤其是在坝体的右边坡处。坝体两种工况相比得知，蓄水期的坝体竖直沉降比竣工期的有所增加，且心墙向下游方向的位移增大较为明显；黏土心墙坝比沥青心墙坝的墙体位移更小；每种坝型条件下大坝的主应力都在减少。此工程建在深厚覆盖层地基上，且含有冰碛层、砂卵石层、砂层和基岩，通过等值线图知，坝体的竖直最大沉降在砂层与坝体的接触部位偏下方；还产生了几处高应力区，基本发生在防渗墙与基岩的接触部位；地基中的砂层对坝体的各项数据均产生较大影响，所以予以挖除。