土石坝沥青混凝土心墙变形特性分析

罗玉艳

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150030)

土石坝沥青混凝土心墙变形特性分析

罗玉艳

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150030)

近年来中国水利工程迅速发展，土石坝以其自身特点被广泛应用，尤其是在以沥青混凝土心墙构建起的防渗体系坝型中。目前国内沥青混凝土心墙坝数量很多，对于沥青混凝土心墙的理论研究和施工工艺较为成熟。文章结合工程实例，有限元分析研究混凝土心墙的应力变形，总结其特性变化规律，为大坝在心墙的设计中提供一定指导。

土石坝；沥青混凝土；心墙；防渗；变形

1 沥青混凝土心墙坝特点

沥青混凝土心墙坝在中国普遍应用，在于沥青混凝土诸多特点：柔性，抗渗性等特性突出，在水利工程中，沥青混凝土现多被作为防渗体，有极强的适应变形特性[1]。与普通混凝土相比，沥青混凝土受外界环境变化较敏感，其混凝土强度和破坏变形随外界温度或荷载作用变化显著。水工沥青混凝土除过防渗性能良好外，还具有低温抗裂、高温抗斜坡流淌、较好适应地基变形、抗老化、水稳定等多项性能。

沥青混凝土心墙土石坝中的防渗体受外力荷载和环境因素影响小，它具有防渗性能较好，混凝土浇筑不过水；适应外界荷载能力较强，对于坝体的不均匀沉陷和岸坡基岩都有良好的适应性；工艺简单，与坝体施工同步，有利于节省工期和投资，提高工程进度；塑性性能良好，强度高，抗冲击性较强，地震时破坏的可能性降低；沥青混凝土防渗结构的特性在工程中效果显著，工程实践中得到了广泛应用。

2 有限元分析原理和本构模型

2.1 线弹性模型[2]

线弹性模型表达式为：

σ=Eε

(1)

当压力和体积发生变化，由虎克定律得：

(2)

式中：K为体积压缩模量。

τ=Gγ

(3)

式中：G为剪切弹性模量；τ为剪切应力；γ为剪切应变。

对于各项同性材料而言，E、K、G有以下关系：

E=3K(1-2μ)=2G(1+μ)

(4)

混凝土的应力应变关系一般是非线性的，区间在30%-50%下应力较小，此时塑性应变在总应变的比例相对较小，大于50%时，塑性应变的比例逐渐增大。

2.2 邓肯-张模型

非线性弹性模型常以邓肯-张双曲线模型为本构模型，表达式中的物理参数可由常规三轴压缩试验确定[3]。

其切线变形模量表达式为：

Et=Ei(1-RfS)2

(5)

式中：Rf为破坏比，表达式为：

(6)

式中：S为应力水平，即实际侧限抗压强度与破坏时的侧限抗压强度的比值：

(7)

于是可将切线变形模量写成：

(8)

在静力计算的E-μ非线性弹性模型来说，切线泊松比μt表达式为：

(9)

式中：

(10)

式中：μi为初始泊松比，表达式为：

(11)

式中：G、F、D为试验参数。通过三轴剪切试验可确定8个试验参数值。

随后邓肯对该模型进行修正，并提出适用性更强的E-B模型，可从三轴试验结果中得出体积模量Bt，由Bt，Et作为参数再求得μt的方法，式中：

(12)

式中：Kur、n为—由卸荷再加荷试验确定的参数。

3 工程实例

3.1 工程概况

某水利枢纽工程规模为大(1)型一等工程，主要水工建筑物包括大坝、泄洪洞、引水发电隧洞和电站厂房。水库总库容16.32亿m3,电站装机350MW,综合效益以灌溉为主,兼有发电、防洪等效益。大坝为黏土心墙坝 ,正常蓄水位为994.0m，设计洪水位为998m，校核洪水位为1001.3m，最大坝高85m,坝顶长326m, 坝顶宽度12m[4],大坝的典型断面如图1。

图1 某大坝典型断面剖面图

3.2 计算模型

计算模型的范围选取：该黏土心墙坝最大坝高为85m, 分别沿坝体上、下游坡脚处沿水平方向各取1倍坝高，Y方向，从基岩面竖直向下取1倍坝高。

计算坐标系定义如下：X向为顺河流方向指向下游为正；Y向为竖直方向指向上为正。有限元网格划分：采用三角形和四边形单元相结合的形式进行单元剖分。模型剖分后单元总数6235个，结点总数15382个。大坝有限元模型[5]如图2所示。

3.3 计算结果

图3-5为竣工期沥青混凝土心墙的应力应变等值线图(考虑到文章篇幅，文章只表示出竣工期的大坝心墙应力应变等值线图)。

图2 坝体三维有限元模型

图3 竣工期心墙剖面垂直位移等值线图

图4 在竣工期心墙剖面水平位移等值线图

图5 竣工期心墙剖面大主应力等值线图

图6 竣工期心墙剖面小主应力等值线图

表1 沥青混凝土心墙的计算成果表

特征值竣工期蓄水期数值出现部位数值出现部位心墙垂直最大沉降/cm63.25约1/2坝高处,坝体中部64.37约1/2坝高处,坝体中部心墙沿坝轴线方向最大位移左岸/cm-8.65约3/4坝高处,左岸侧-8.13约3/4坝高处,左岸侧右岸/cm11.58约3/4坝高处,右岸侧11.16约3/4坝高处,右岸侧心墙大主应力极值/MPa-2.18坝体基岩面与心墙基座接触附近-3.26坝体基岩面与心墙基座接触附近心墙小主应力极值/MPa-0.73约1/5坝高处,坝体中部心墙处-1.32约1/5坝高处,坝体中部心墙处

计算结果分析：

在竣工期，沥青混凝土心墙的最大沉降量为63.25cm，大约在心墙1/2处。蓄水后，最大沉降量增加1.12cm，出现位置同竣工期。故心墙沉降量变化等值线分布规律和部位基本相同。

竣工期，沥青混凝土心墙的最大水平位移，左岸8.65cm右岸11.583m，出现位置均在靠近各自岸坡的约3/4高程处。蓄水后，心墙的最大位移为，左岸8.13m右岸11.168m，大约位置在靠近岸坡约3/4处。蓄水前后沥青混凝土心墙的水平位移变化不大，规律和部位也都大体相同。

沥青混凝土心墙大、小主应力分布规律基本相同。竣工期，沥青混凝土的心墙大主应力最大值为2.18MPa，极值在心墙底部。蓄水后大主应力增加了1.08MPa，极值位置均位于心墙和坝基的接触部位。蓄水前后的应力等值线基本平行且分布规律相同，通过图示表明应力水平和深度呈正比关系。蓄水前后心墙的小主应力极值是-0.73MPa和-1.32MPa。沥青混凝土心墙在不同工况下，大面积受压，仅在左右岸与心墙基座的附近有小范围拉应力区，通过图示显示最大拉应力值为0.86MPa。通过蓄水前后的应力分布对比得出，沥青混凝土心墙的上、下游过渡料有明显的拱效应，降低了心墙的垂直应力，导致坝体施工完成时心墙的最大大主应力为2.18MPa，明显小于坝体的大主应力值。

混凝土心墙的应变主要为压应变，其最大值为2.36%。蓄水后各方向的应变均有所增大。

图3-7给出了心墙不同高程处的静水压力和各应力分布图[6]。

图7 蓄水期心墙应力分布图

由图可以看出，此模型的沥青混凝土心墙不同高程处的铅直向应力大于静水压力，同时也大于水压力，几乎不可能发生水力劈裂现象。通过沥青混凝土心墙的计算结果表明，蓄水前后心墙的位移变化、应力应变均在合理范围内，故大坝可以安全蓄水，沥青混凝土心墙性能稳定且安全可靠。

4 结 语

在土石坝有限元基本原理分析和邓肯-张E-B模型的分析基础上，结合工程构建出三维有限元模型，对沥青混凝土坝体和心墙进行了在竣工期和蓄水期两种不同工况的下有限元静力分析，得出沥青混凝土心墙坝的应力应变关系及坝体安全性结论。结果表明坝体心墙应力分布规律基本合理，工程的安全性可以得到保证。

[1]郝巨涛.国内沥青混凝土防渗技术发展中的重要问题.水利学报，2008(10)：1213-1219.

[2]王德库，金正浩.土石坝沥青混凝土防渗心墙施工技术[M].中国水利水电出版社，2006:96.

[3]中华人民共和国国家能源局.DL/T5411—2009土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].杭州：西冷出版社，2009.

[4]王为标，孙振天.沥青混凝土应力-应变特性研究[J].水利学报，1996(05):1-8.

[5]谢江红.土石坝静力有限元分析[J].黑龙江科技信息，1996(05):233.

[6]张小涛.沥青混凝土心墙坝应力变形分析及心墙基座有限元研究[D].西安：西安理工大学，2011.

Analysis for Asphalt Concrete Core Deformation Characters of Earth-rock Dam

LUO Yu-yan

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

In recent years,the water conservancy project developed rapidly in China, earth-rock dams were applied widely due to its characters, especially in the dam type of seepage protection constructed by the asphalt concrete core. At present, there are a lot of asphalt concrete core walls in China, the theatrical research for asphalt concrete core wall is natured and it is advanced of the construction technology.In combination with the project case, this paper analyzed the finite elements to study the stress deformation of concrete core wall and draw a conclusion of the character changing law, so as to provide reference for the design of dam core.

earth-rock dam; asphalt concrete; core; seepage protection; deformation

1007-7596(2017)07-0022-04

2017-06-20

罗玉艳(1963-)，女，黑龙江哈尔滨人，工程师。

TV642

B