壩料密度對(duì)壩體變形影響研究

孔祥彬，武俊麗

（黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海 西寧 810000）

混凝土面板堆石壩作為一種天然材料壩，以其就地取材、易于防滲的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水利水電工程建設(shè)。積石峽水電站采用混凝土面板堆石壩方案，最大壩高103 m，設(shè)計(jì)填筑方量約296萬m3。

壩料的干密度是面板堆石壩施工的重要控制參數(shù)之一，對(duì)壩體的變形有較大影響[1]。本文針對(duì)積石峽水電站面板堆石壩的壩料，進(jìn)行了室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)，并采用數(shù)值模擬的方法，研究壩料的干密度對(duì)壩體應(yīng)力變形的影響規(guī)律，以期為合理確定大壩壩料填筑碾壓參數(shù)提供依據(jù)。

1 干密度對(duì)壩料應(yīng)力應(yīng)變特性的影響

為了研究壩料的干密度對(duì)壩料應(yīng)力應(yīng)變特性的影響，針對(duì)壩料進(jìn)行了大型三軸試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)針對(duì)大壩主堆石料的試樣進(jìn)行，試樣直徑300 mm、高700 mm。

（1）稱樣。試驗(yàn)時(shí)將風(fēng)干后的壩料按試樣級(jí)配和干密度的要求稱取，分層裝入對(duì)開模內(nèi)，并夯實(shí)至壩料不同分區(qū)所要求的干密度。

（2）固結(jié)。制樣完畢后施加周圍壓力進(jìn)行固結(jié)，至試樣的體積變化穩(wěn)定后，即完成固結(jié)過程。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)低密、中密和高密三種試樣密度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的圍壓分別為 0.1、0.3、0.6、1.0 1.5 MPa。低密、中密和高密三種試樣密度在試驗(yàn)過程中測(cè)量的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本相似，中密試樣試驗(yàn)結(jié)果見圖1（圖中ε1為軸向應(yīng)變，εv為體應(yīng)變，σ1為大主應(yīng)力，σ3為小主應(yīng)力）。

圖1的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著干密度的增加壩料的強(qiáng)度有所增加，低圍壓下的剪脹特性也更加明顯，這些規(guī)律與一般認(rèn)識(shí)是一致的[2]。

圖1 中密試樣的大型三軸試驗(yàn)結(jié)果

2 壩料干密度對(duì)壩體變形的影響

2.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)積石峽面板堆石壩進(jìn)行三維有限元計(jì)算，分析壩料采用不同干密度壩體的變形。

（1）根據(jù)積石峽面板堆石壩的設(shè)計(jì)剖面圖和地形劃分了三維有限元計(jì)算網(wǎng)格。在計(jì)算中模擬了壩體分層均勻上升的填筑過程和壩體施工結(jié)束后進(jìn)行的面板施工。壩體竣工以后蓄水至設(shè)計(jì)水位。

（2）根據(jù)大型三軸試驗(yàn)結(jié)果，確定了不同干密度條件下壩料的沈珠江雙屈服面模型參數(shù)[3]，見表1（表中φ0和Δφ為強(qiáng)度指標(biāo)，Rf為破壞比，K為彈性模量數(shù)，n為彈性模量指數(shù)，Cd為最大剪縮體變，nd為體變?cè)龃蟮膬绱?，Rd為剪脹比）。

表1 主堆石沈珠江雙屈服面模型參數(shù)

從表1可以看出，材料的內(nèi)摩擦角和模量均隨干密度的增加而有所增大。

2.2 計(jì)算結(jié)果

因高密度和低密度方案的變形分布規(guī)律與中密度計(jì)算方案類似，本文僅給出中密度方案竣工期和蓄水完成期標(biāo)準(zhǔn)橫斷面壩體變形的等值線圖（分別見圖 2、 3）。

從圖2、3可以看出壩體沉降出現(xiàn)在壩高大約2/3處；水平向變形分別向上下游擴(kuò)展。

表2給出了三種方案計(jì)算所得到的壩體變形最大值。從表2可以看出，壩體沉降、順河向位移以及軸向位移均隨著干密度的增大而減小。這意味著增大壩料干密度可以減小壩體的變形。

3 結(jié)論

（1）三種不同干密度壩料的大型三軸試驗(yàn)結(jié)果表明干密度對(duì)壩料的應(yīng)力變形特性有一定影響，即隨著干密度的增加壩料的強(qiáng)度有所增加。

圖2 竣工期標(biāo)準(zhǔn)橫斷面位移等值線（單位：m）

圖3 蓄水完成期標(biāo)準(zhǔn)橫斷面位移等值線（單位：m）

表2 壩體變形最大值cm

（2）三維有限元計(jì)算結(jié)果表明壩體的沉降和變形隨著干密度的增大而減小。給出了壩體沉降隨壩料干密度變化規(guī)律。為合理確定積石峽水電站面板堆石壩的填筑碾壓施工參數(shù)提供了依據(jù)。

［1］DL/T 5129—2001 碾壓式土石壩施工規(guī)范［S］.

［2］黃文熙.土的工程性質(zhì)［M］.北京：中國水利水電出版社，1983.

［3］沈珠江.土體應(yīng)力應(yīng)變分析的一種新模型［C］//中國土木工程學(xué)會(huì)編.第5屆土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)會(huì)議論文集.北京：建筑工程出版社，1990:101.