北京汉兴帝业建筑工程有限公司 101300
摘要：某水库工程拟采用沥青混凝土心墙坝，心墙高度达到116.43m。在保证工程安全的前提下，为了提高该沥青混凝土心墙坝的经济性指标，对该坝进行了坝坡优化计算分析。对坝坡方案A、方案B、方案C心墙的计算分析表明：三种方案心墙的最大沉降均出现在坝体中部高程附近，最大沉降量分别为-44.383cm、-44.241cm、-44.927cm，沥青混凝土心墙与坝体协调变位好。在竣工期，各方案坝坡的抗滑稳定安全系数分别为1.537、1.467、1.373；在正常蓄水条件下，各方案坝坡的抗滑稳定安全系数分别为1.461、1.396、1.243，依次降低。方案B挖填方量比方案A减少了39.96×104m3（10.15％），坝体稳定性满足设计要求，上下游坝坡坡度适宜，建议设计施工优先采用方案B。
关键词：沥青混凝土心墙；非线性有限元；坝坡优化设计；协调变形
Optimization Design of the Dam Slopes of an Asphalt Concrete
Core－wall Structure of Rock－fill Dam
ZHU Yuliang
（Beijing Hanxing Diye construction engineering co.LTD）
Abstract：A project was proposed to build an asphalt concrete core wall dam，the height of asphalt concrete core wall reaches 116.43m.Under the premise of ensuring the safety of engineering，in order to improve the economy index of the asphalt concrete core wall dam，the optimization design of dam slopes was proposed in this paper.The calculation and analysis of the core wall stress and strain of plan A，plan B and plan C show that the maximum subsidence of asphalt concrete core walls appears in the middle of the dam height，the subsidence in turn are about - 44.383 cm、- 44.241 cm、- 44.927 cm，which shows that asphalt concrete core wall has good flexibility to deform harmonically with the dam.During the time of completion，the anti-sliding stability safety coefficients are 1.537、1.467、1.373.During the storage period，the anti-sliding stability safety coefficients are 1.461、1.396、1.243，which shows the value decreases as the dam slopes become steeper.The excavation and embankment volume of plan B decreases about 39.96×10 m（10.15％）in comparison with plan A，the dam stability can meet design requirements and the dam slope of upstream and downstream is suitable，so plan B is recommended.
Key words：asphalt concrete core wall；nonlinear finite element；optimization design of the dam slopes；compatible deformation
某水库位于日喀则市桑珠孜区江森村上游约3.5km的塔曲中上游河谷段。水库正常蓄水位4538.00m3，总库容1472.20万m3。该工程是以城区居民供水为主，兼顾东嘎乡人畜用水和农田灌溉用水的水利工程。为了提高水库的经济性指标，水库采用沥青混凝土心墙坝［1］，并对水库的上下游坝坡坡比进行优化设计。
三峡茅坪溪防护土石坝工程［2］、库什塔依水电站工程［3］、冶勒水电站工程［4］，尼尔基水利枢纽工程［5］等（见表1）均采用沥青混凝土心墙堆石坝方案。由以上心墙坝可知：其上游坝坡坡比在1∶2.0～1∶3.0范围内，下游坝坡坡比在1∶1.75～1∶2.25范围内。本文研究的堆石坝工程沥青混凝土心墙沿坝体纵轴线布置，厚度80cm，心墙底部与混凝土基座相连，最大高度达到116.43m。该工程心墙坝方案上下游坝坡坡比均比已建工程大，因此有必要对各方案下某心墙堆石坝进行三维有限元计算，研究坝体及心墙的变形与应力特征，定量分析不同上下游坝坡组合［6-8］对坝体及心墙的应力应变、坝体边坡抗滑稳定性、挖填方量的影响程度。计算分析需要关注局部应力集中现象，并提出相应措施，最后得出坝坡优选方案。
表1 工程坝坡统计表
心墙堆石坝材料及坝基覆盖层具有明显的非线性特征，故采用邓肯-张（Duncan-Chang）弹性非线性模型的E-B模型进行计算。计算程序采用四川大学水电学院多年扩充完善的三维非线性有限元分析程序NASGEWIN（计算机软件著作权登记号：2009SR027603）进行该水库混凝土心墙堆石坝三维非线性分析。
1 三维计算模型及参数
1.1计算模型
三维计算模型沿坝轴线上下游分别取250m，即顺河向X轴方向截取500.00m；竖向Y轴由4330.00m高程取至坝顶4535.30m高程，横河向Z轴由左岸指向右岸，由桩号0-132.00m取至桩号0+596.00m，总长度728.00m，共切取纵向31个剖面。河床表面覆盖层深浅不一，最大厚度约50.00m，心墙底端位于混凝土基座上。建模过程中详细模拟了基岩、覆盖层、混凝土心墙、泥皮、垫层、堆石料、过渡料等结构特征。三维有限元网格共计剖分16950个节点和17108个单元。坝体共分为15级填筑，图1、图2为坝体及混凝土心墙的三维网格模型，图3给出了河谷0+259.00m剖面的主要结构特征网格图。为后续讨论方便，图中标出了4486.00m高程附近三个特征节点。
图3 某心墙坝0+259.00 m典型剖面网格图
1.2计算方案及参数
表2中方案A、方案B、方案C的混凝土心墙坝的坝坡坡度依次增加，通过比较这三种方案的心墙变形特征，分析采用何种坝坡组合更能适应心墙与坝体协调变形，降低应力水平，提高大坝经济适用性。表3为材料的参数取值，计算中各方案的正常蓄水位取为4531.00m。C30混凝土变形模量E=30GPa，泊松比μ=0.167。
表2 东嘎混凝土心墙堆石坝计算方案
图4 正常蓄水特征节点顺河向和竖向位移图
（1）对于坝体竖向位移，对比蓄水方案下游节点9556的沉降，方案A-1的坝体最大沉降值为-39.684cm（约占坝高127.5m的0.311％），方案B-1的最大沉降值-40.690cm仅比方案A-1增加了约1.006cm，方案C-1的最大沉降值-0.643cm。可见方案A-1、方案B-1、方案C-1的计算结果呈增大趋势，但差异微小。而上游节点由于水推力和浮托力作用，方案A-1、方案B-1、方案C-1的沉降逐步减小。
图5 正常蓄水0+259.00 m剖面顺河向和竖向位移等值线图（方案B-1）
（2）对于坝体顺河向位移，蓄水方案下方案A-1的坝体顺河向位移为24.311cm，方案B-1顺河向位移为27.510cm。方案C-1的顺河向位移为27.722cm。可见蓄水情况下，坝坡逐渐增大对坝体竖向位移影响不大，但是会显著增大水库顺河向位移。
（3）对于心墙节点9378，随着方案A-1、方案B-1、方案C-1上下游坝坡坡度逐渐增大，心墙顺河向位移呈现出逐渐增大的特点，其值分别为24.291cm、26.434cm、26.571cm；各方案的竖向位移值分别为-44.383cm、-44.683cm、-44.553cm，可见上下游坝坡逐渐增大对坝体竖向变位的影响不大。
（4）在正常蓄水位下，方案B最大的顺河向位移
出现在次堆石区4500.00m高程附近，极值约为30.00cm；最大沉降出现在坝体中部高程4481.00m附近，极值约为-44.683cm。
图6为3种方案0+259.00剖面在竣工期和蓄水情况下心墙中轴面的位移，由图6可知：
图6 0+259.00m剖面混凝土心墙中轴面位移随高程变化图
（1）对于心墙中轴面，各方案典型剖面的最大沉降均出现在4486.00m高程处附近。在竣工期方案A-0、方案B-0、方案C-0的心墙沉降值分别为-43.562cm、-43.720cm、-43.670cm，水平位移值分别为2.950cm、3.342cm、2.892cm，可见上下游坝坡坡度逐渐增大，对竣工期方案A-0、方案B-0、方案C-0的顺河向位移和竖向位移变化影响不大。
（2）在正常蓄水下随着方案A-1、方案B-1、方案C-1上下游坝坡坡度逐渐增大，各方案的竖向位移极值为-44.383cm、-44.918cm、-44.927cm，可见上下游坝坡逐渐增大对坝体竖向变位的影响不大；心墙顺河向位移表现出随坡度增大而增大的特点，其极值分别为24.391cm、26.534cm、26.671cm。
2.2边坡稳定分析
图7描述了该水库沥青混凝土心墙坝抗滑稳定计算结果，由图7可知：
图7 边坡抗滑稳定安全系数图
随着方案A、方案B、方案C的坝体上下游坝坡坡度逐渐增大，在竣工期，各方案上游坝坡的抗滑稳定安全系数分别为1.537、1.467、1.373；在正常蓄水条件下，各方案上游坝坡的抗滑稳定安全系数分别为1.461、1.396、1.243，依次降低。竣工期，三种方案均满足此工程边坡抗滑稳定安全标准；正常蓄水下，方案C低于规范要求，需要做相应的加固措施。
2.3工程量分析
图8描述了各方案下挖填方量，由图8可知：
图8 挖填方量统计图
随着方案A、方案B、方案C的坝体上下游坝坡坡度逐渐增大，其挖填土方量分别为393.64万m3、353.68万m3、345.50万m3，方案B比方案A少方39.96万m3（减少约10.15％），方案C比方案A少用填方48.14万m3（减少约12.23％），综上可知，方案B、方案C的土石挖填方量比方案A用量小。
2.4应力水平
图9为正常蓄水时方案B的应力水平等值线，由图9可知：
（1）对于方案B-1，上游坝壳料浸没于水中，在浮托力作用下，上游坝体应力水平增大。在心墙和上下游堆石料区，方案B-1的应力水平要比方案B-0（竣工期）增加约0.3～0.5，但应力水平均不超过0.95；而坝体下游侧由于水推力的作用，侧向力有所增大，在相同位置方案B-1比方案B-0（竣工期）下游的心墙中下部应力水平部分有微弱下降，下降量值约0.1～0.2。
（2）正常蓄水时，方案B在4481.00m高程坝坡转折处应力水平为0.90，在4505.00m高程坝坡转折处应力水平为0.80，下游坡脚处的应力水平为0.93，均满足规范要求，为了增加安全稳定性，建议在相应位置采取适当的工程加固措施。
图9 正常蓄水0+259.00 m剖面应力水平等值线图（方案B-1）
3 结论
通过对某水库沥青混凝土心墙坝坝坡优化的计算分析可知：
（1）模拟采用的3种沥青混凝土心墙坝坝坡设计
方案的心墙与坝体应变协调，满足要求。正常蓄水下，方案A、方案B、方案C的坝坡抗滑稳定安全系数分别为1.461、1.396、1.243，依次降低。方案C由于上游坝坡坡度较陡，不利于坝体边坡稳定，计算显示在蓄水方案下，该方案坝坡稳定性不满足规范要求。方案A坡度较缓，挖填方量较大，坝体占地面积也会增大，可能不利于施工开展。方案B的上下游坝坡坡度适宜，比方案A节省填方10.15％，经济效益显著，同时坝体稳定性满足设计要求。
（2）坝体和心墙应力水平满足设计要求，但是上游坝坡在坝坡坡面转折处，以及下游坡脚处应力水平相对较高，建议进行相应的工程处理。例如对下游坡脚，可以增加排水棱体以增加坝体安全稳定性。
参考文献：
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论文作者:朱余良
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第22期
论文发表时间:2019/5/24
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