丁树云 ， 毕庆涛 ，2

（1.华北水利水电学院，河南 郑州 450011；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210029）

目前，对在深厚覆盖层上修建大坝的研究，越来越受科研和工程界的重视。300 m级高土质心墙坝的应力变形分析，已经取得了较多研究成果；对沥青混凝土心墙高土石坝 （＞100 m）的应力变形特征，研究成果较少[1，2]。为此，本文针对某沥青混凝土心墙高坝进行有限元分析，研究建在深厚覆盖层上的坝体的应力变形特性，为其他类似工程提供参考。

1 有限元模型

某沥青混凝土心墙土石坝最大坝高100 m，坝顶宽度10 m。心墙最大高度97 m，厚1.0 m。上、下游坝坡均为1∶2.0；下游坝基设置厚2.0 m的水平反滤层。坝址区河床覆盖层钻孔揭露厚度为55～120 m，地层结构由下而上总体上为含漂砾卵石层、含砂卵砾石层、含漂砾卵石层和粉砂层4大层。坝基防渗采用混凝土防渗墙结合灌浆帷幕形式，防渗墙最大深度为100 m，厚1.0 m。坝体及坝基典型横剖面见图1，上游围堰作为坝体的一部分。

图1 沥青混凝土心墙坝最大横剖面

对坝体按结构、材料进行单元划分，以反映建筑物主要结构。在研究地质结构的基础上，对坝基进行概化处理，以反映主要的地质构造。单元网格大部分为四边形，少数采用三角形单元过渡。在混凝土结构周围，设置了无厚度古德曼 （Goodman）接触面单元。底部边界按竖向固定约束，上、下游地基边界按水平方向固定约束。共剖分1 647个结点，1 607个单元 （见图2）。

图2 沥青混凝土心墙坝有限元网格

2 模型参数与计算过程

2.1 模型参数

表1 沥青混凝土心墙土石坝的模型参数

沥青混凝土心墙土石坝的有限元计算中，堆石料、沥青混凝土心墙料的本构关系采用邓肯E-B模型，各分区材料的模型参数见表1。坝基防渗墙、底座混凝土、基岩按线弹性材料模拟，模型参数见表2。为防止混凝土与土石接触处出现不连续变形，设置无厚度Goodman接触面单元，其模型参数见表3。

表2 坝基混凝土及基岩参数

2.2 计算过程

有限元计算时，采用分级加荷对大坝施工及蓄水过程进行模拟。先填筑围堰，然后填筑坝体。共分17级荷载计算，覆盖层作第1级荷载，围堰分2级荷载，坝体施工到坝顶分9级荷载，蓄水至正常水位分2级加载，降低水位至死水位1级荷载，然后再升降一个循环，即2级荷载。

3 应力变形特征分析

土石坝有限元计算及成果整理时，按照土力学惯例，正应力以压为正，拉为负；应变以压缩为正，膨胀为负。坐标系取顺河向指向下游为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向。

3.1 坝体应力变形

在竣工期及蓄水期 （蓄水至正常蓄水位），坝体、地基覆盖层、沥青混凝土心墙的应力变形的特征值见表4。竣工期及蓄水期坝体发生的累积沉降、水平位移、第一主应力及应力水平等值线分布分别见图3、4。

表3 计算采用的Goodman接触面模型参数

从图3a和图4a可以看出，竣工及蓄水期，土石坝沉降最大值均发生在距坝顶约2/3坝高处，竣工期的沉降最大值发生在心墙内，蓄水期的沉降最大值稍微偏离心墙向上游。从表4可知，土石坝竣工期内累积沉降最大值为95.79 cm，占坝高 （100 m）的0.96%；蓄水后，坝体的最大沉降稍有增加，为97.37 cm，占坝高的0.97%。

表4 沥青混凝土心墙土石坝应力变形的特征值

图3 竣工期沥青混凝土心墙土石坝应力变形等值线

图4 蓄水期沥青混凝土心墙土石坝应力变形等值线

从图3b和表4可知，在施工期内，上游覆盖层向上游移动，最大水平位移为5.79 cm；下游覆盖层向下游位移，最大水平位移为15.63 cm。从图4b可知，蓄水后，坝体及覆盖层有向下游移动的趋势，坝体向下游的水平位移明显增大，达到43.30 cm。

从图3c和图4c可知，竣工期土石坝第一主应力拱效应明显，心墙区域第一主应力比坝壳堆石的应力明显低许多，蓄水后这种应力拱效应减弱。另外，从图3c、4c还可以看到，在混凝土垫座处以及在混凝土防渗墙插入基岩的位置处，坝体及覆盖层的应力分布出现了应力集中现象，同时处于混凝土垫座下面的局部土体单元应力极小。

从图3d可知，竣工期坝体及覆盖层的应力水平总体不大，低于0.65；但在上游围堰顶部及坡面的局部单元应力水平达到了0.85左右。由图4d可以看出，蓄水后，由于库水压力作用心墙之上，上游坝壳及上游围堰的第三主应力急剧减小，而第一主应力变化不大，从而导致上游坝壳及上游围堰的应力水平显著增加。相反，心墙及下游坝壳的应力水平有所减小。图4d还显示，蓄水后，靠近心墙的上游坝体局部单元以及上游围堰的局部单元应力水平接近0.9。

从表4还可看出，沥青混凝土心墙竣工期单元的应力水平不高，最大值为0.76，位于心墙的底部；蓄水后，由于水荷载是从第三主应力方向施加到心墙上游面的，心墙内第三主应力有所增加，而第一主应力变化很小，从而导致心墙内的应力水平比竣工期明显降低，蓄水后心墙内的应力水平最大值降为0.45。因此，竣工期和蓄水期心墙内应力水平均小于1.0，发生剪破的可能性不大；同时，心墙内无拉应力出现，产生拉裂缝的几率较小。

3.2 蓄水升降循环对应力变形的影响

对土石坝进行两次蓄水升降循环有限元计算，即初次蓄水至正常水位后，降水至死水位，然后再升至正常水位，再降至死水位。通过计算比较发现，在蓄水升降循环过程中，土石坝及覆盖层的应力、变形、应力水平分布形态与初次蓄水至正常蓄水位时的形态基本一致。

表5是蓄水升降循环过程中，坝体、覆盖层及沥青混凝土心墙应力变形特征值。由表5可知，库水位初次由正常水位降至死水位时，坝体最大沉降为97.35 cm，与初次蓄水至正常水位时的97.37 cm基本一致，几乎没有变化；向下游水平位移最大值为42.41 cm，亦与初次蓄水至正常水位时的43.30 cm相差不大；向上游水平位移最大值为3.90 cm，与初次蓄水至正常水位时的3.81 cm差异较小。在蓄水升降循环过程中，土石坝及覆盖层的应力变形特征值变化差异也较小。因此，库水升降循环对沥青混凝土心墙土石坝应力变形的影响不大。

4 结论

由于深厚覆盖层具有一定的可压缩性，坝体发生最大沉降的位置会向下偏移，位于距坝顶约2/3坝高处；同时，坝基深厚覆盖层受坝体的影响，也会向上、下游发生水平位移。与粘土心墙土石坝一样，沥青混凝土心墙坝也存在明显的应力拱现象，心墙的应力比坝壳堆石的应力低，不过蓄水后这种拱效应减弱；蓄水后，由于库水压力作用在心墙上，从而导致上游坝壳及上游围堰的应力水平增大，沥青混凝土心墙及下游堆石的应力水平明显降低。另外，坝体的应力变形分布特征受水位升降的影响不大。

表5 库水位升降循环下的坝体应力变形特征值

［1］ 徐晗，汪明元，等.深厚覆盖层300 m级超高土质心墙坝应力变形特征［J］.岩土力学， 2008， 29（增）:64-68.

［2］ 温州，邵磊.深厚覆盖层350 m级心墙堆石坝动强度计算分析［J］.三峡大学学报 （自然科学版）， 2009， 31（2）:36-39.