考虑湿化作用的土石坝应力变形计算

2020-10-22孙向东金津丽

水利水电工程设计 2020年2期

孙向东金津丽

土石料在一定应力状态下浸水饱和，由于水的润滑以及颗粒中矿物遇水溶解等，土石料颗粒之间会产生相互错动、滑移甚至破碎，在重力的作用下调整到新的位置，进而产生湿化变形。在初期堆石坝建设中，主流观点认为坝体填筑料的湿化引起的变形很小，在设计中可以忽略。但目前建成的一些堆石坝观测结果揭示：大坝蓄水之后，虽然受水的浮力作用，但土石料却发生竖直沉降而非上抬。

为更加精确地预测大坝的应力变形，进行土石料的湿化浸水变形研究对工程设计非常有意义。目前国内外学者已建立多种可用于进行土石坝湿化变形计算的计算模型和方法，如：由Nobari 和Duncan 提出的基于双线法的初应变求解方法并对Oroville 土坝进行了计算；沈珠江在某一应力状态下浸水的单线法试验研究的基础上提出的Cw－Dw模型等。本文利结合实际工程，用岩土专业有限元计算软件MIDAS GTS NX，研究砾石土心墙坝在施工、蓄水过程中，考虑湿化作用对砾石土心墙堆石坝坝体和心墙的水平位移、竖直沉降、大小主应力等的影响，为土石坝设计中是否需要考虑湿化作用提供依据。

1 湿化变形计算方法

目前湿化变形的计算常采用双线法，即分别对风干土样和饱和土样进行三轴剪切试验，把相同应力条件下的干态与湿态变形的差值作为此应力条件下的湿化变形量。在土石坝有限元分析计算中，通常采用增量的分析方法：

单元在浸水前的应力状态为{σd}，假设它是由n级应力增量逐级增加达到的，则每级应力增量为：

对于每级应力增量，采用干态的劲度矩阵［Dd］求解应变增量{Δc} ：

劲度矩阵[Dd]是与当前的应力状态相关的干态弹性或塑性矩阵。将各级增量产生的{Δc}累加，可得浸水之前总应变{c}。

假设浸水前后应变一致，则浸水后每级应力的增量可由下式计算：

式中 [Dw]——浸水饱和状态下的劲度矩阵。

将各级增量下的{Δσw}累加，即得浸水后的总的应力{σw}。

按假想约束的思路，可确定由湿化作用产生的“初应力”为：

然后将此假想的“初应力”约束释放，转化为等效结点荷载，即

式中 [B]——单元的几何矩阵；负号表示将等效结点荷载反向作用在各结点上。

由等效结点荷载{F}作用在土体上，即可求得由于浸水湿化所引起的附加位移和附加应变。若同时施加水压力、浮托力，便可得到考虑了水压力、浮托力和湿化作用的结果。

2 计算参数与计算模型

某水库工程拦河坝为当地材料坝，大坝坝顶长522 m，坝顶高程1 340.50 m，防浪墙顶高程1 341.7 m，坝顶宽14.0 m，最大坝高161.5 m，心墙顶宽10 m，上、下游坡度均为1∶0.3。心墙上下游分别设置3.0 m 宽反滤层和3.0 m 宽过渡层。心墙上游侧为上游堆石区，下游为下游堆石区，上下游分别设置一定区域，投放利用料。大坝上游坝坡为1∶2.1；下游坝坡为1∶1.65，下游坡面设八级上坝道路，宽10 m，下游综合边坡1∶2.15。在下游坝体标高1 198.00 m 以下设置水平排水区，水平排水层与下游过渡层相接，排水体末端设置排水棱体。表1 列出某水利枢纽工程砾石土心墙坝坝体稳定计算与邓肯张E-B 模型计算力学参数指标建议值。由于未做土石料湿化试验，参考其他工程，湿化前各土石料的参数值Kˊ仅将邓肯E-B模型中的参数K在此基础上提高10%～20%，其余参数取值保持不变。

表1 土石坝坝体材料邓肯-张模型参数取值表（含水状态：饱和）

本工程库坝区范围地层岩性主要泥质粉砂岩、砂岩，岩石强度总体较低，风化层厚度普遍较大。弱风化-微新岩的岩屑石英砂岩饱和单轴抗压强度40～60 MPa，属中硬岩，微新粉砂岩饱和单轴抗压强度为30～40 MPa，属中硬岩，但软化系数偏低，强风化-弱风化的砂岩、弱风化粉砂岩、微新泥质粉砂岩饱和单轴抗压强度为15～30 MPa，属较软岩，强度和软化系数均较低。强风化粉砂岩、强风化-弱风化泥质粉砂岩饱和单轴抗压强度小于10 MPa，属软岩。表2 列出了大坝地基采用的计算力学参数建议值。

表2 地基采用的计算力学参数建议值表

本文对堆石坝填筑施工过程进行模拟，根据砾石土心墙堆石坝的施工特点，荷载采用逐级施加的方式，砾石土心墙与坝体堆石同步碾压上升。按坝体施工填筑的先后顺序分32 级来加载，其中第1 级进行地基加载求初始地应力场，同时完成混凝土防渗墙的施工；第2 级～第32 级模拟筑坝料的分级填筑；第33 级模拟蓄水至正常蓄水位，第34 级模拟蓄水后的应力平衡和湿化作用。整体有限元模型网格如图1 所示。