王 超，胥淑美

(1.河南水利与环境职业学院，郑州 450008； 2.济南黄河河务局 历城黄河河务局，济南 250108)

0 引 言

CSG坝是近几十年发展起来的一种新坝型，其筑坝思想[1]为“设计一种介于重力坝与土石坝之间的坝型，使用一种特性介于混凝土和堆石体之间的筑坝材料，将这种新的筑坝材料与坝体设计相结合，形成一种材料、坝体设计以及施工方法最优组合的新坝型”。它采用新的筑坝材料--CSG材料是将少量的胶凝材料和水添加到河床砂砾石和开挖废弃料等容易在坝址附近获得的岩石基材中，然后用简易的设备进行拌和而得到的一种筑坝材料。该坝型采用梯形剖面，上下游坝坡根据具体工程的地质条件、坝高及筑坝材料的性能等因素来确定。这种坝型具有经济、安全、环保、施工快速方便等特点。

根据多年建坝经验，大坝对地基条件要求与筑坝材料和坝体结构形式紧密相关。重力坝设计规范和土石坝设计规范分别对重力坝和土石坝的地基条件适应性提出了要求，胶凝砂砾石坝从材料性能上介于混凝土坝与土石坝之间，其对地基要求如何，是本文研究的重点内容。

本文通过拟定CSG坝体剖面，采用有限元数值模拟方法，分析胶凝材料含量70 kg/m3(C70)CSG坝的坝体坝基应力状况，确定CSG坝适应地基的要求，为工程提供参考依据。

1 CSG坝体坝基力学特性

1.1 CSG材料力学特性

根据已见诸文献的CSG材料试验成果，CSG材料的应力～应变曲线证明了该种材料和混凝土一样是非弹性材料，日本[2]CSG材料单轴压缩试验所得应力～应变关系曲线见图1。由于CSG坝采用梯形剖面，相比于重力坝断面增大了近70%[3]，大大降低了坝体的应力，而且一般不会出现拉应力，强度低的CSG材料即可满足建坝要求。在CSG坝体设计中，仅采用CSG材料弹性范围内的强度和弹性模量，使得CSG坝具有足够的安全裕度，安全性更高。根据CSG材料力学特性试验[4]结果，本文计算所采用的CSG材料力学参数见表1。

图1 CSG材料的单轴应力～应变关系曲线

1.2 坝基力学参数

重力坝设计规范[5]给出了坝基力学参数参考值，本次研究选取地基参数见表2。

表1 胶凝砂砾石材料力学参数

注：表1中*泊松比通过线性内插得到；**参照混凝土材料抗压安全系数取法标准，安全系数取3.5。

表2 拟定不同地基类型的力学参数

坝基岩体容许压应力[6]由岩体极限抗压强度除以安全系数得到，其安全系数的选取受到岩体完整性、风化程度等因素的影响。本次研究选取中等强度的基岩作为坝基岩体，规范要求容许压应力安全系数为10～20，取中值15，考虑到风化程度的影响对容许强度值在进行折减，折减系数取0.5。根据上述指标，计算选取强风化层地基容许承载力为0.82 MPa，弱风化层地基容许承载力为1.96 MPa。

2 CSG坝体计算剖面的拟定

根据国内外已开展的胶凝砂砾石材料试验来看，典型的胶凝砂砾石材料是一种弹塑性材料，但由于该坝采用梯形剖面，坝体材料应力水平较低，处于材料的弹性范围内，所以目前胶凝砂砾石坝一般是按弹性体设计的。故CSG坝的坝体稳定及应力分析采用重力坝的计算方法和控制标准。

CSG坝的坝体抗滑稳定性分析是核算坝体沿坝基面或坝基内缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度。目前在传统的稳定计算分析中，极限平衡法最为常用，也是当前设计过程中解决实际稳定问题最为有效方法之一。考虑到抗剪断公式比较符合坝的实际工作情况，已日益为各国所采用。本次计算分析采用抗剪断公式[7]，对胶凝砂砾石坝坝体剖面稳定分析校核。公式如下：

(1)

式中：∑W为接触面以上的总铅直力，kN；∑P为接触面以上的总水平力，kN；U为作用在接触面上的扬压力，kN；f′为接触面间的抗剪断摩擦系数；c′为接触面间的抗剪断凝聚力，kPa；A为坝基接触面截面积，m2。

刘志明[8]认为大坝建基面选择的关键在于对弱风化带岩体的利用问题，重力坝设计规范也给出了不同坝高的重力坝地基适应性的参考要求。CSG坝相比重力坝有更好的地基适应能力。本次研究重点选取弱风化地基和强风化地基进行CSG坝剖面拟定。在胶凝砂砾石坝稳定和强度分析中，所考虑的荷载有自重、与坝顶齐平的水压力、扬压力，以抗滑稳定安全系数Ks>3.0作为胶凝砂砾石坝抗滑稳定分析的控制标准。

胶凝材料含量为70 kg/m3时，不同地基条件下满足稳定要求的CSG坝坝体剖面，计算结果见表3～表4。其中，最大坝高是根据CSG材料力学性能所得到的最大坝高。

表3强风化地基条件下C70胶凝砂砾石坝最大坝高及上下游坝坡

坝高 /m上下游坝坡300.75370.77500.82550.83620.84

表4弱风化地基条件下C70胶凝砂砾石坝最大坝高及上下游坝坡

坝高 /m上下游坝坡300.55500.63680.66

3 CSG坝的坝体坝基强度分析

本文采用ANSYS通用程序建立CSG坝坝体坝基整体有限元模型进行计算分析，符号规定为：以顺河向为X轴(指向下游为正),竖直向为Y轴(向上为正)。应力以拉应力为正,压应力为负。

3.1 有限元模型计算模型的确定

进行网格剖分时，坝体内部和地基均采用四节点四边形等参单元，坝体坡面处采用的是三节点三角形单元，单元形状变化对局部应力有影响，但不会严重影响结构整体的应力应变场的规律性。

在建立模型时，进行如下简化：

1) 上下游采用对称坝坡且坝顶宽度保持不变，取定值7 m。

2) 计算荷载组合：自重+上游静水压力+扬压力，上游水位取与坝顶齐平，下游无水。假定坝体为不透水材料，扬压力只考虑渗透压力并将其作为外力作用在坝底；计算时考虑将水压力直接作用在上游坝面上。

3) 建立坝体、坝基整体模型，地基向坝体上下游延伸两倍坝高及两倍坝高深度的范围，地基上下游侧面取水平方向约束，底部取竖直方向约束。

4) 计算取单宽坝体进行平面应变分析，按线弹性考虑。

3.2 有限单元法地基强度控制标准

有限元法计算地基条件适应性以坝基面铅直应力拉应力区宽度小于坝底宽度的0.07倍[9]为控制标准。

根据上述确定的有限元计算模型及荷载组合，通过地基弹模试算，进行地基适应性计算，得到满足控制标准的最小地基弹模，再与坝基岩体力学参数做对比，得到计算坝体所适应的地基条件。图2给出有限元法计算得到的坝基最大铅直应力～坝高曲线，图3给出C70不同坝高CSG坝地基条件适应性计算所得最小弹模～坝高曲线。

图2 C70地基弹模～坝高变化曲线图

图3 C70坝基铅直应力σy～坝高变化曲线图

分析上述图表可知，C70 CSG坝坝基铅直应力σy随着坝高的增加而增大。另外，随着坝高的增加，试算所得到的最小地基弹模变化不大。

4 CSG坝地基条件适应性结果

根据以上计算分析结果，对比不同地基条件的力学参数可知，C70CSG坝随着坝高的增加，CSG坝对地基的要求也在增加。坝高62 m以下，其适应的地基条件为强风化地基；坝高超过62 m，其适应的地基条件应该提高到弱风化层及以上地基。

大坝坝基对大坝安全有着十分重要的影响，同时大坝建基面岩石类型的选择也决定着整个工程的造价。胶凝砂砾石(CSG)坝作为一种经济、安全、环保、施工方便的新坝型，研究其适应的地基条件对于该坝型的推广应用具有重要的工程指导意义。