某土石壩壩體應(yīng)力與變形分析

1、某土石壩壩體應(yīng)力與變形分析摘要：土石壩在我國西南部地區(qū)廣泛存在，土石壩安全至關(guān)重要。本文通過對一個土石壩壩體應(yīng)力和應(yīng)變的有限 元計算，詳細(xì)論述土石壩應(yīng)力計算過程，為以后類似工程應(yīng) 力應(yīng)變分析提供借鑒和指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：土石壩；應(yīng)力應(yīng)變；有限元 在國內(nèi)的高心墻堆石壩建設(shè)中，某堆石壩是第一座壩高大于 150m 的高壩工程，其大壩建設(shè)及運行性狀對于國內(nèi)其 他高心墻堆石壩工程將有著重要的參考意義 1 。為此，采用 了變形和滲流耦合的平面有限元程序?qū)δ持鲏螇误w填筑、蓄 水運行的全過程進(jìn)行了仿真計算 2 ，綜合分析了某主壩的應(yīng) 力變形狀況， 并研究、 分析了壩頂順壩軸線縱向裂縫的成因。、計算模型由于某主壩軸線

2、較長，壩體寬高比達(dá)到10： 1，因此，采用二維有限元分析應(yīng)該具有足夠代表性。計算分析選取大 壩河床段的 B-B 斷面作為分析斷面， 并按照壩體和壩基實際 材料分區(qū)和材料性能 3 ，對計算斷面進(jìn)行了有限元網(wǎng)格剖 分。計算斷面網(wǎng)格及材料分類如圖 1 所示，該有限元計算模 型共包括 2241 個結(jié)點， 1801 個四邊形等參單元（包括退化 的三角形單元） 。為了保證水頭模擬的精確性，心墻部位全部采用四邊形單元。計算使用的坐標(biāo)系統(tǒng)為笛卡爾右手坐標(biāo)系，x 方向零點選取在壩軸線位置，以朝向下游方向為正向； y 方向坐標(biāo)則 采用海拔高度，以豎直向上的方向為正向。仿真計算分析遵循某主壩壩體實際的填筑、蓄水步驟

3、，再現(xiàn)了壩體分級填筑、蓄水及多次水位升降的過程。、計算結(jié)果2.1 壩體變形 圖 2 所示為主壩填筑完成時壩體的水平位移（以朝向下游為正）和沉降（以向下為負(fù)）的分布情況。由于心墻傾向游，且填筑完成時壩體已經(jīng)承受一定水位的庫水壓力作 用，壩體填筑完成時最大沉降近 2m，最大值位于心墻中上部及下游側(cè)堆石區(qū)內(nèi)。同時，壩體內(nèi)部大部分區(qū)域的水平變 形均指向下游。2000 年底主壩壩體填筑完成，截止 2006 年 10 月中旬，樞紐已經(jīng)運行近 6 年，經(jīng)歷了多次水位變動， 其中包括 265m高水位，較填筑完成時，壩體變形有了一定程度的發(fā)展。由 圖 3 可見，在壩體自重、庫水壓力、固結(jié)、流變等多方面因 素共同

4、作用下，壩體內(nèi)水平位移、豎直沉降均有所增加，壩 體內(nèi)最大沉降增大至約 2.5m 。圖 4 所示為計算斷面 283.0m 高程視準(zhǔn)線上下游側(cè)兩條視準(zhǔn)線上控制點的計算水平、豎直位移發(fā)展趨勢曲線與實測水平、豎直位移發(fā)展趨勢曲線的對比。由變形曲線可見，壩 頂沿水流方向向下游側(cè)位移，壩頂兩側(cè)位移的量值不一致。計算水平位移與實測水平位移趨勢曲線（位移自 2001月 3 月起計）2.2 壩體應(yīng)力 圖 5 所示為主壩填筑完成時壩體有效大主應(yīng)力和有效小主應(yīng)力分布，由圖可見，壩體內(nèi)的應(yīng)力分布與其上部土柱重 量相關(guān)，由于壩殼的拱效應(yīng)及心墻內(nèi)的高孔隙水壓力共同作 用，相同高程上心墻內(nèi)的大主應(yīng)力較壩殼堆石體的大主應(yīng)力

5、明顯減小。同時，下游壩殼堆石體應(yīng)力明顯高于上游壩殼。值得注意的是，根據(jù)計算分析，當(dāng)壩體填筑到頂后，壩頂處在較淺的深度范圍內(nèi)存在一定的拉應(yīng)力區(qū)，如圖6 所示 為壩體填筑完畢時 （2000 年 11月 30 日）壩頂局部區(qū)域的小 主應(yīng)力分布。由圖可見，壩頂區(qū)域出現(xiàn)了小主應(yīng)力接近或小 于0 （在-0.025MPaOMPa之間）的拉應(yīng)力區(qū)，該拉應(yīng)力區(qū) 深度為 4.5m 左右。這個深度與后來發(fā)現(xiàn)的壩頂處順壩軸線 向裂縫的深度基本吻合。2006 年 6 月水位驟降前和 2006 年 8 月水位驟降后壩頂局部區(qū)域的小主應(yīng)力分布。由圖可見，在壩體填筑完成并經(jīng) 歷近 6 年蓄水運行過程后，隨著庫水位變動，小主應(yīng)

6、力分布 有所變化， 壩頂拉應(yīng)力區(qū)（有效小主應(yīng)力在 -0.025MPa0MPa之間的區(qū)域）有向上游側(cè)擴(kuò)展的趨勢，但深度擴(kuò)展較小。三、壩體變形特點與壩頂縱向裂縫分析 小浪底主壩的防滲體為斜心墻，由于斜心墻的傳力作用，導(dǎo)致下游壩殼承受的水平推力和豎向荷載均大于上游壩 殼，因此，下游壩殼的變形與上游壩殼相比，相對較大，心 墻也將出現(xiàn)朝向下游的水平位移。同時，由于壩體下游側(cè)堆 石 4B 和 4C 區(qū)的材料性質(zhì)弱于上游側(cè)堆石 4A ，由此，將進(jìn)步加大斜心墻朝向下游的水平位移。另一方面，由于蓄水 后上游堆石體的濕化變形作用，壩體頂部存在向上游側(cè)位移 的趨勢。這兩種變形的趨勢將導(dǎo)致壩體頂部上下游側(cè)位移的 不一致，從而產(chǎn)生張拉裂縫。數(shù)值仿真計算的結(jié)果也說明了上述變形趨勢。 2006 年10 月中旬壩體內(nèi)斜心墻下游面的水平位移和壩頂處豎直沉 降的矢量示意，由圖可見，壩頂下游側(cè)沉降大于上游側(cè)，同 時壩頂出現(xiàn)拉伸變形。參考文獻(xiàn)：1王復(fù)來 . 土石壩邊坡的滑動穩(wěn)定計算 J. 水利水電技術(shù)， 1979， （ 9）2 張明， 劉金勇， 麥家煊 . 土石壩邊坡穩(wěn)定可靠度