孙明权，岳鹏展，郑璀莹

(1.华北水利水电学院，河南郑州 450011;2.中国水科院，北京 100038)

胶凝砂砾石坝体的受力特性及超载能力分析

孙明权1，岳鹏展1，郑璀莹2

(1.华北水利水电学院，河南郑州 450011;2.中国水科院，北京 100038)

为了研究胶凝砂砾石坝体的受力特性，运用线弹性有限元方法，计算坝体的应力分布和变形性态.为了研究坝体的极限承载能力和安全储备情况，采用D－P弹塑性模型来模拟胶凝砂砾石本构关系，同时建立非线性有限元模型，对胶凝砂砾石坝体进行了容重超载法、水头超载法和降强安全储备的研究.

胶凝砂砾石坝;受力特性;极限承载能力;安全储备

1 胶凝砂砾石坝受力特性研究

1.1 工程实例

黑水河上游段某水库大坝，经方案论证比选，将胶凝砂砾石坝作为备选方案.最大坝高60.6 m，对称坡比 1∶0.5.

1.2 线弹性有限元分析

建立有限元模型，形成平面四边形等参单元2 305个，节点2 424个，其中坝体部分总计751个单元，809个节点.为研究坝的受力特性，进行了设计水位工况的静力作用下的分析.材料参数取值见表1.有限元计算结果如图1—6所示.

表1 工程计算材料参数

由坝体竖向正应力分布图(图1，拉应力为正，压应力为负)可知，竖直向压应力随坝高的增加而逐渐减小，且在水荷载作用下，竖直向压应力最大值发生在下游坝脚，值为－1.58 MPa.从剪应力分布图(图2，对单元体产生顺时针力矩为正，逆时针力矩为负)可以看出，下游侧剪应力方向向下，上游侧剪应力方向向上，向上的剪应力最大值发生在上游侧约1/3坝高处，值为－0.11 MPa向下的剪应力最大值发生在下游坝脚，值为0.9 MPa.

坝体最小和最大主应力分布分别如图3和图4所示.从主应力分布可以看出，坝体全断面处于受压状态，主压应力值随坝高的增大而减小，最大主压应力发生在下游坝脚，值为－1.35 MPa.

坝体顺河向位移和沉降位移分布分别如图5和图6所示.从图中可以看出，在顺河向，位移随坝高的增加而逐渐增大，且上游侧位移大于下游侧位移，顺河向位移等值线倾向上游，最大位移发生在坝顶上游侧，值为5.48 mm，表现为向下游的位移，坝体沉降随坝高的增加而逐渐增大.同时，由于扬压力作

设计工况时，坝体在静力作用下的位移不超过5 mm，坝体应力分布较均匀，除坝踵、坝趾处应力较大外，坝体其他部位应力水平均较低.坝踵、坝趾处的最大压应力在3 MPa左右.综合来看，坝体在自重和水载荷作用下发生向下的沉降，同时发生向下游的位移.从应力水平上看，坝体基本处于受压状态，胶凝砂砾石材料及坝基岩体承载力满足要求.

2 胶凝砂砾石坝超载能力和安全储备

坝体及地基材料采用弹塑性的D－P(Drucker－Prager)模型进行模拟，材料参数见表1.

分别采用容重超载法、水头超载法［4］和降强法［5］对坝体进行超载能力分析［3］，计算坝体超载系数.容重超载时，首先提高20%水头，然后在此基础上进行容重超载.用，坝体上游侧沉降小于下游侧沉降，最大沉降发生在坝顶下游侧，值为－7.26 m.

2.1 容重超载法

采用容重超载法分析时，随着容重的增加，坝趾处首先屈服，坝踵相继屈服.当超载系数达到5左右时，屈服面贯通，坝体位移突变，如图7所示.因此，判定坝体容重超载系数为5.

图7 容重超载结果图

2.2 水头超载法

采有水头超载法分析时，随着水头的增加，坝趾处首先屈服，坝踵相继屈服.随着超载系数的增大，上游坝面出现大范围屈服.当超载系数达到2.5左右时，屈服面贯通，坝体位移突变，如图8所示.因此，判定坝体水头超载系数为2.5.

图8 水头超载结果图

2.3 降强法

采用降强法分析时，对摩擦系数f和黏聚力c同时除以降强系数k.计算发现，随着降强系数的增加，坝趾处屈服区范围逐渐增大，当降强系数达到3.0左右时，计算不再收敛，如图9所示.因此，判定坝体降强安全储备能力为3.

图9 降强安全储备结果图

采用容重超载法分析时，由于上游面材料屈服主要集中于坝踵附近，超载能力较高;采用水头超载法分析时，上游面材料屈服较容重超载范围扩大，较容重超载能力下降.计算发现该工程具有一定的超载能力.

3 结语

运用线弹性有限元方法，计算了胶凝砂砾石坝体的应力分布和变形性态.坝体静力作用下位移较小，坝体应力分布较均匀，除坝踵、坝趾处应力较大之外，坝体其他部位应力水平均较低.

采用非线性有限元进行仿真计算，研究了胶凝砂砾石坝在长期运行中的工作性态;对胶凝砂砾石坝进行了超载分析，研究了胶凝砂砾石坝的极限超载能力.通过胶凝砂砾石坝的超载能力和安全储备计算，可知坝体超载能力较高.

［1］孙明权，柴启辉，杨世锋.基于三轴试验的胶凝砂砾石坝剖面形式研究［C］//王建武，殷保合，景来红，等.大坝技术及长效性能研究进展.北京:中国水利水电出版社，2011.

［2］张镜剑，孙明权.一种新坝型——超贫胶结材料坝［J］.水利水电科技进步，2007，27(3):32 －34.

［3］李同春，王仁坤，游启升，等.高拱坝安全评价方法研究［J］.水利学报，2007(10):78 －83.

［4］张光斗，陈兴华.拱坝枢纽整体抗滑稳定的地质力学模型试验研究［J］.水利学报，1983(6):1－8.

［5］张建东，张林.三维地质力学模型破坏试验不同加载程序对比分析［J］.四川水利水电，2006，25(5):74 －77.

Mechanical Characteristics and Overload Capacity of Cement-sand-gravel Dam

SUN Ming-quan1，YUE Peng-zhan1，ZHENG Cui-ying2
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China)

In order to study the mechanical characteristics of the cement-sand-gravel dam，the paper uses the linear elastic finite element method to calculate the stress distribution and deformation behavior of the cement-sand-gravel dam.In order to study the ultimate bearing capacity and the safety reserve of the cement-sand-gravel dam，D-P elastic-plastic model is employed to simulate the constitutive relation of the cement-sand-gravel，then the non-linear finite element model is built to study the safety reserve of the cement-sandgravel dam with the weight overloading，head overloading and intensity dropping method.

cement-sand-gravel dam;mechanical characteristics;ultimate bearing capacity;security reserve

1002－5634(2012)02－0056－03

2012－02－09

水利部“948”项目(CT200136).

孙明权(1955—)，男，河北涿鹿人，教授，主要从事土石坝工程、水工结构工程及抗震分析方面的研究.

(责任编辑:陈海涛)