覆盖层厚度对浇筑式沥青混凝土心墙坝动力性能的影响

王建祥， 唐新军， 张凌凯

（1.北部湾大学建筑工程学院，广西钦州 535011； 2.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052）

浇筑式沥青混凝土由于具有良好的变形协调能力、抗冲刷和老化能力等优点［1-4］，同时也能够满足在高地震烈度、深厚覆盖层等复杂条件下的筑坝要求［5-8］，现在很多的土石坝都建立在深厚覆盖层上，但覆盖层对心墙土石坝的性能有很大的影响［9-11］，国内外学者对此也进行了相关方面的研究［12-15］. 针对深厚覆盖层坝基，白新革等［16-18］对廊道进行了有限元分析计算，探讨了覆盖层厚度对廊道应力和变形的影响，分析结果表明，增加覆盖层厚度，廊道的应力和变形均增大. 在地震高发区，覆盖层对心墙坝的抗震性能影响更大.冯蕊等［19-21］针对深厚覆盖层心墙坝进行了动力计算分析，得到了防渗体的加速度、动应力和动位移的变化规律. 但目前对心墙坝中关于覆盖层方面的研究分析还不够深入. 本文考虑在地震作用下，根据有限元分析模型，研究在不同厚度的覆盖层条件下，对沥青心墙坝进行地震计算分析，探讨覆盖层厚度对心墙坝动力响应的影响.

1 计算模型

某水利枢纽工程具有灌溉、供水等综合利用效益，担负下游工业园区1 110.85万m3/a的供水任务. 该工程为Ⅲ等中型工程，大坝设计为沥青混凝土心墙坝，坝高66 m，上、下游面坡比分别为1∶2.25和1∶2. 枢纽正常蓄水位1474 m，库容约为2100万m3，灌溉面积1.35万hm2. 沥青混凝土心墙坝部位主要包括坝壳料区、沥青心墙区、过渡料区和上游围堰区等，心墙坝典型横剖面见图1. 依据心墙坝进行分区，建立了三维有限元模型，进行剖分网格，得到三维有限元模型［22］，如图2所示.

图1 横剖面图Fig.1 Cross section diagram

2 计算方案及模型参数

针对浇筑式沥青心墙坝及覆盖层的特点，设计计算方案为逐级增加覆盖层厚度，每级增加20 m，覆盖层厚度从0 m增加到100 m. 根据计算方案，进行动力计算，分析基础覆盖层厚度对心墙坝动力计算结果的影响. 静力计算模型采用邓肯-张模型，相应模型参数见表1；动力计算模型采用等效线性模型，模型参数见表2；防渗墙及心墙基座的材料弹性模量E=0.8 GPa，μ=0.167.

图2 三维有限元网格Fig.2 3D finite element mesh

表1 静力计算模型参数Tab.1 Static calculation model parameters

表2 动力计算模型参数Tab.2 Dynamic calculation model parameters

3 计算结果及分析

3.1 基础覆盖层厚度对心墙坝加速度的影响规律

根据设计方案进行计算，得到不同覆盖层厚度下心墙坝的计算结果，研究基础覆盖层厚度对大坝顶部竖向、坝轴向及顺河向的最大绝对加速度的影响，具体见图3.

根据图3可知，随着覆盖层厚度的增加，坝顶顺河向最大绝对加速度均表现为减小趋势；在覆盖层厚度为20 m时，坝顶顺河向绝对加速度为5.82 m/s2；当覆盖层增加到60 m和100 m，坝顶绝对加速度分别减小到5.14 m/s2和4.83 m/s2，且减小的幅度逐渐变小；竖向和坝轴向坝顶绝对加速度随覆盖层的变化规律与顺河向相同. 这是因为当覆盖层的厚度增加，坝体的阻尼作用增强，相应加速度减小. 当覆盖层增加时，竖向、坝轴向及顺河向的加速度放大倍数整体均呈现减小的趋势，竖向比顺河向及坝轴向的加速度放大倍数明显较大.

3.2 基础覆盖层厚度对心墙坝动位移的影响规律

在地震时，坝体产生的动位移过大，整体大坝的稳定性就会有较大的影响. 依据计算结果，研究覆盖层厚度对心墙坝最大位移的影响，具体见图4.

图4 覆盖层厚度对心墙坝最大位移的影响Fig.4 Influence of overburden layer thickness on the maximum displacement of core wall dam

由图4可得，随覆盖层厚度的增加，坝体的竖向、坝轴向和顺河向的最大动位移均呈逐渐增大趋势. 在覆盖层厚度为20 m时，坝体顺河向最大位移为6.48 cm；当覆盖层增加到60 m和100 m，坝体顺河向最大位移分别增大到9.65 cm和15.54 cm. 覆盖层相同情况下，坝轴向和竖向相对于顺河向的最大动位移明显较小.心墙竖向、坝轴向和顺河向的最大动位移也是随覆盖层的增加而增大，当覆盖层增加到100 m，心墙顺河向最大位移增大到14.94 cm. 覆盖层比基岩的刚度小很多，在地震荷载下，大坝基础的动位移将随覆盖层厚度的增加而增大，因此坝体和沥青混凝土心墙的动位移也将增大.

3.3 基础覆盖层厚度对沥青心墙主应力的影响规律

覆盖层厚度对沥青混凝土心墙有较大的影响，依据设计方案及计算结果，研究覆盖层厚度对浇筑式沥青混凝土心墙主应力的影响规律，具体见图5.

图5 覆盖层厚度对沥青心墙主应力的影响Fig.5 Influence of overburden layer thickness on the main stress of asphalt core wall

图5是指在不同厚度的覆盖层下，浇筑式沥青混凝土心墙中轴线上主拉应力、主压应力变化规律. 针对不同厚度覆盖层的心墙坝进行动力计算结果表明，增加覆盖层厚度对沥青心墙的主拉应力、主压应力的影响较小，影响结果不明显；浇筑式沥青混凝土心墙的主拉应力、主压应力变化范围很小. 在确定覆盖层厚度情况下，随着沥青心墙高度的增加，心墙的主拉应力、主压应力逐渐减小.

4 结论

1）随着覆盖层厚度的增加，坝顶顺河向最大绝对加速度均表现为减小趋势；在覆盖层厚度为20 m时，坝顶顺河向绝对加速度为5.82 m/s2；当覆盖层增加到60 m 和100 m，坝顶绝对加速度分别减小到5.14 m/s2和4.83 m/s2；竖向和坝轴向坝顶绝对加速度随覆盖层的变化规律与顺河向相同.

2）随覆盖层厚度的增加，坝体的竖向、坝轴向和顺河向的最大动位移均呈逐渐增大趋势；在覆盖层厚度为20 m时，坝体顺河向最大位移为6.48 cm；当覆盖层增加到60 m和100 m，坝体顺河向最大位移分别增大到9.65 cm和15.54 cm；覆盖层相同情况下，坝轴向和竖向相对于顺河向的最大动位移明显较小. 心墙竖向、坝轴向和顺河向的最大动位移也是随覆盖层的增加而增大，当覆盖层增加到100 m，心墙顺河向最大位移增大到14.94 cm.

3）增加覆盖层厚度对沥青心墙的主拉应力、主压应力的影响较小，影响结果不明显；浇筑式沥青混凝土心墙的主拉应力、主压应力变化范围很小. 在确定覆盖层厚度情况下，随着沥青心墙高度的增加，心墙的主拉应力、主压应力逐渐减小.