许 刚

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

1 概 述

金峰水库库址位于盐亭县金安乡西河支流凤鸣河王家沟，水库总库容0.98亿m3，大坝最大坝高88m，坝顶高程477m，坝顶长度455m，坝顶宽度8m，大坝典型横剖面图如图1所示。

水库正常蓄水位和设计洪水位均为475.00m，校核洪水位475.45m，死水位445.00m，大坝的建筑物级别为2级。金峰水库沥青混凝土心墙坝坝体分区自上游到下游依次为：石渣料区(上游)、砂卵石过渡料区(上游)，沥青混凝土料心墙区、砂卵石过渡料区(下游)、竖向砂砾石排水带、石渣料区(下游)及水平排水带，坝壳料为砂泥岩混合料，属于软岩料。大坝为全断面软岩料填筑的高坝，目前存在的工程实施极为少见[1]。

图1 坝典型横剖面图见

2 计算方法和参数

2.1 坝料的本构模型及计算参数

筑坝料的应力、应变关系的模型为Duncan E-u双曲非线性弹性模型。该模型包含基本变量：切线剪切模量vt、切线杨氏模量Et、切线体积模量Bt。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Pa为大气压；Et是σ3/Pa的n次幂；n为切线杨氏模量；K为n对应的模量系数；Rf为破坏比。

5-v涉及到的8个参数，即Rf、K、G、n、F、c、φ、和D。根据试验室检测提交的筑坝料设计参数及金峰水库碾压试验报告，设计参数建议值如表1所列。

表1 筑坝料三轴试验E-u模型参数表

2.2 计算模型与边界条件

由于坝基属砂泥岩，模型中坝基变形考虑在建基面50m范围内，网格划分基本为四边形单元，局部采用三角形单元，计算模型和网格剖分考虑了坝体不同材料分区，采用荷载步的方式模拟坝料填筑。对于可能发生应力集中和重点关注部位，将网格进行局部加密。坝体填筑分20级，蓄水荷载分3级为第20级到第23级，沥青混凝土心墙坝共计划分2125个单元和2177个节点。过渡料和沥青混凝土心墙料之间布置接触面单元，考虑沥青混凝土心墙为重点部位，对该部位加密单元网格，同时考虑单元长宽比≤10，对心墙分2列单元[2]。

计算内容为沥青混凝土心墙坝完建时、正常蓄水位坝体有限元应力应变、沥青混凝土心墙应力应变。图2为沥青混凝土心墙坝坝体典型横剖面有限元计算模型。

图2 沥青混凝土心墙坝典型横剖面有限元计算模型

3 计算结果及分析

3.1 坝体应力变形计算结果

3.1.1 工况一：完建时

通过有限元计算，可得到完建时坝体竖向沉降等值线图(见图3)、水平位移等值线图(见图4)、大主应力等值线图(见图5)、小主应力等值线图(见图6)。

图3 完建时坝体竖向沉降等值线图(单位：m) 图4 完建时坝体水平位移等值线图(单位：m)

3.1.2 工况二：正常蓄水位

通过有限元计算，可得到正常蓄水位坝体竖向沉降等值线图(见图7)、水平位移等值线图(见图8)、大主应力等值线图(见图9)、小主应力等值线图(见图10)。

图7 正常蓄水位坝体竖向沉降等值线图(单位：m) 图8 正常蓄水位坝体水平位移等值线图(单位：m)

3.2 坝体应力变形分析

3.2.1 坝体变形分析

完建时最大竖向沉降为108.29cm，发生于1/2坝高的坝轴线附近。最大水平位移向上游为31.13cm，向下游为21.58cm，分别发生在上游坝壳料1/2坝高和下游坝壳料1/2坝高的坡面附近，上下游水平位移沿坝轴线基本对称；完建时的坝顶下沉量为11.5cm。

水库正常蓄水时最大竖向沉降为112.81cm，最大竖向沉降依旧出现在1/2坝高的坝轴线附近。正常蓄水位时坝顶下沉为14.4cm。正常蓄水位时，上游坝壳料下部水平位移逐渐减小，由完建期向上游偏移31.13cm减小为12.04cm。下游坝壳料的水平位移在蓄水后继续向下游增大，其最大水平位移为47.57cm。可以看出施加水荷载后上游水平位移减小，下游水平位移增大。

3.2.2 坝体应力分析

在完建时、正常蓄水位应力最大值发生在坝轴线底部建基部位，坝体变形和应力值如表2所列。

表2 河床坝段坝体变形和应力特征值

3.2.3 心墙的应力变形分析

对沥青混凝土心墙而言，一般应控制挠跨比在一定范围内。沥青混凝土心墙水平位移在完建时水平位移最大值向上游18.01cm，向下游0.49cm，整体挠跨比为0.20%。正常蓄水位时水平位移最大值向上游0.71cm，向下游47.42cm，整体挠跨比为0.53%。随着水库水位的升高，心墙的整体挠跨比慢慢增大。完建和正常蓄水位时，大小主应力最大值都发生在与混凝土底座连接部位，大主应力最大值分别为2.56MPa、1.83MPa，小主应力最大值分别为2.07MPa、1.50MPa。

若沥青混凝土心墙与坝壳的水平应力和竖向应力的比值是相等的，这个体系就处于平衡状态。λ=σ3/σ1，其中σ1为坝壳竖向应力，σ3沥青混凝土心墙水平应力，不同条件下λ值的大小不同，λ值按填筑坝的高度，一般变化范围为0.3-0.55。根据计算本工程的λ值的范围为0.35-0.6，说明沥青混凝土心墙与坝壳的水平应力和竖向应力的比值是接近的，沥青混凝土心墙和坝壳就处于平衡状态[3]。

4 结 语

1)计算结果显示完建时及蓄水后坝体最大沉降分别为108.29cm、112.81cm，最大竖向沉降约为坝高的1.28%。考虑到本工程为全断面软岩料筑坝，上游石渣料和下游石渣料模量均比较低，坝体竖向沉降值与类似堆石坝对比略有偏高也是合理的。

2)由于过渡层模量较大坝体局部存在应力集中，但未出现明显的应力拱效应，各工况下坝体内均未出现拉应力。由于大坝坝壳料属砂泥岩混合料、模量较低、沉降和位移相对其他硬岩石渣料偏大的特点，建议过渡料区重点考虑与沥青混凝土心墙、坝壳料的变形协调，考虑降低过渡料的碾压标准、避免应力集中。

3)沥青混凝土心墙小主应力、大主应力最大值都分布在心墙底端，心墙底端固定约束导致。心墙底部下游侧增模区的设置，一定程度上限制了心墙的变形，从而缓解了由于底部约束造成的应力集中。

4)由于沥青混凝土心墙的模量数K值与坝壳料的模量数K值差别不大，沥青混凝土与坝壳材料变形一致的，坝体竖向沉降等值线和水平位移等值线图也证明了二者之间变形一致的。