某土石坝坝体应力与变形分析

1、某土石坝坝体应力与变形分析摘要：土石坝在我国西南部地区广泛存在，土石坝安全至关重要。本文通过对一个土石坝坝体应力和应变的有限 元计算，详细论述土石坝应力计算过程，为以后类似工程应 力应变分析提供借鉴和指导。关键词：土石坝；应力应变；有限元 在国内的高心墙堆石坝建设中，某堆石坝是第一座坝高大于 150m 的高坝工程，其大坝建设及运行性状对于国内其 他高心墙堆石坝工程将有着重要的参考意义 1 。为此，采用 了变形和渗流耦合的平面有限元程序对某主坝坝体填筑、蓄 水运行的全过程进行了仿真计算 2 ，综合分析了某主坝的应 力变形状况， 并研究、 分析了坝顶顺坝轴线纵向裂缝的成因。、计算模型由于某主坝轴线

2、较长，坝体宽高比达到10： 1，因此，采用二维有限元分析应该具有足够代表性。计算分析选取大 坝河床段的 B-B 断面作为分析断面， 并按照坝体和坝基实际 材料分区和材料性能 3 ，对计算断面进行了有限元网格剖 分。计算断面网格及材料分类如图 1 所示，该有限元计算模 型共包括 2241 个结点， 1801 个四边形等参单元（包括退化 的三角形单元） 。为了保证水头模拟的精确性，心墙部位全部采用四边形单元。计算使用的坐标系统为笛卡尔右手坐标系，x 方向零点选取在坝轴线位置，以朝向下游方向为正向； y 方向坐标则 采用海拔高度，以竖直向上的方向为正向。仿真计算分析遵循某主坝坝体实际的填筑、蓄水步骤

3、，再现了坝体分级填筑、蓄水及多次水位升降的过程。、计算结果2.1 坝体变形 图 2 所示为主坝填筑完成时坝体的水平位移（以朝向下游为正）和沉降（以向下为负）的分布情况。由于心墙倾向游，且填筑完成时坝体已经承受一定水位的库水压力作 用，坝体填筑完成时最大沉降近 2m，最大值位于心墙中上部及下游侧堆石区内。同时，坝体内部大部分区域的水平变 形均指向下游。2000 年底主坝坝体填筑完成，截止 2006 年 10 月中旬，枢纽已经运行近 6 年，经历了多次水位变动， 其中包括 265m高水位，较填筑完成时，坝体变形有了一定程度的发展。由 图 3 可见，在坝体自重、库水压力、固结、流变等多方面因 素共同

4、作用下，坝体内水平位移、竖直沉降均有所增加，坝 体内最大沉降增大至约 2.5m 。图 4 所示为计算断面 283.0m 高程视准线上下游侧两条视准线上控制点的计算水平、竖直位移发展趋势曲线与实测水平、竖直位移发展趋势曲线的对比。由变形曲线可见，坝 顶沿水流方向向下游侧位移，坝顶两侧位移的量值不一致。计算水平位移与实测水平位移趋势曲线（位移自 2001月 3 月起计）2.2 坝体应力 图 5 所示为主坝填筑完成时坝体有效大主应力和有效小主应力分布，由图可见，坝体内的应力分布与其上部土柱重 量相关，由于坝壳的拱效应及心墙内的高孔隙水压力共同作 用，相同高程上心墙内的大主应力较坝壳堆石体的大主应力

5、明显减小。同时，下游坝壳堆石体应力明显高于上游坝壳。值得注意的是，根据计算分析，当坝体填筑到顶后，坝顶处在较浅的深度范围内存在一定的拉应力区，如图6 所示 为坝体填筑完毕时 （2000 年 11月 30 日）坝顶局部区域的小 主应力分布。由图可见，坝顶区域出现了小主应力接近或小 于0 （在-0.025MPaOMPa之间）的拉应力区，该拉应力区 深度为 4.5m 左右。这个深度与后来发现的坝顶处顺坝轴线 向裂缝的深度基本吻合。2006 年 6 月水位骤降前和 2006 年 8 月水位骤降后坝顶局部区域的小主应力分布。由图可见，在坝体填筑完成并经 历近 6 年蓄水运行过程后，随着库水位变动，小主应

6、力分布 有所变化， 坝顶拉应力区（有效小主应力在 -0.025MPa0MPa之间的区域）有向上游侧扩展的趋势，但深度扩展较小。三、坝体变形特点与坝顶纵向裂缝分析 小浪底主坝的防渗体为斜心墙，由于斜心墙的传力作用，导致下游坝壳承受的水平推力和竖向荷载均大于上游坝 壳，因此，下游坝壳的变形与上游坝壳相比，相对较大，心 墙也将出现朝向下游的水平位移。同时，由于坝体下游侧堆 石 4B 和 4C 区的材料性质弱于上游侧堆石 4A ，由此，将进步加大斜心墙朝向下游的水平位移。另一方面，由于蓄水 后上游堆石体的湿化变形作用，坝体顶部存在向上游侧位移 的趋势。这两种变形的趋势将导致坝体顶部上下游侧位移的 不一致，从而产生张拉裂缝。数值仿真计算的结果也说明了上述变形趋势。 2006 年10 月中旬坝体内斜心墙下游面的水平位移和坝顶处竖直沉 降的矢量示意，由图可见，坝顶下游侧沉降大于上游侧，同 时坝顶出现拉伸变形。参考文献：1王复来 . 土石坝边坡的滑动稳定计算 J. 水利水电技术， 1979， （ 9）2 张明， 刘金勇， 麦家煊 . 土石坝边坡稳定可靠度