瀝青混凝土心墻高壩應力應變特性初探

余 林(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

瀝青混凝土心墻高壩應力應變特性初探

余 林
(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

研究百米級澆筑式與碾壓式瀝青混凝土心墻壩的應力應變性態(tài)對瀝青混凝土心墻高壩發(fā)展具有重要意義。通過平面有限元分析表明：大壩的應力應變性態(tài)，明顯受控于壩體填筑材料的性狀，而受心墻瀝青混凝土材料性質(zhì)影響較小，采用兩種心墻材料所得大壩的應力變形規(guī)律變化不大。

瀝青混凝土；澆筑式；碾壓式；心墻壩；應力應變

當前瀝青混凝土心墻壩已成為壩工界重點關(guān)注的壩型，是國際大壩委員會(ICOLD)推廣的壩型之一。中國瀝青混凝土心墻壩的應用起步較晚，1973年率先建成了甘肅黨河瀝青混凝土心墻壩，壩高54 m[1]。近年來這種壩型得到了較快的發(fā)展，先后建成了近百座工程。如壩高125 m的冶勒瀝青混凝土心墻；壩高104 m三峽茅坪溪瀝青混凝土心墻；黑龍江尼爾基瀝青混凝土心墻壩，該壩壩高40 m，其壩長達1 829 m，堪稱世界同類壩之首。當前我國瀝青混凝土心墻壩在數(shù)量方面位居世界前列，壩高與國際相同。在材料性能和設(shè)計理論研究方面均落后于工程實踐，仍是以經(jīng)驗和判斷作為設(shè)計與施工的依據(jù)。我國設(shè)計規(guī)范中雖對瀝青混凝土力學性能給出了技術(shù)指標要求，但這些指標僅用于配合比類比與評價，而不能直接用于瀝青混凝土心墻壩工作性狀的評估，因此，深入認識水工瀝青混凝土力學性能，研究瀝青混凝土心墻壩的應力應變性態(tài)，就成為當前亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

依據(jù)施工中瀝青混凝土壓實方法的不同，瀝青混凝土心墻壩分為：碾壓式與澆筑式兩種壩型，前者是油石比一定時在給定的溫度下，利用機械外力將瀝青混凝土分層壓實；后者則是在規(guī)定的高油石比和給定的溫度下，依靠自重壓實，形成瀝青混凝土防滲結(jié)構(gòu)。兩壩型各自有其優(yōu)越性。

我國東北和新疆等地已建成50余座澆筑式瀝青混凝土心墻壩，壩高大多在30 m～50 m，超過50 m的僅有3座[2-4]。因經(jīng)驗較少，《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》[5](SL501-2010)規(guī)定采用澆筑式瀝青混凝土心墻壩時，其壩高不宜超過70 m，這無疑限制了這種壩型的應用。

澆筑式瀝青混凝土心墻始建于俄羅斯，早在20世紀30年代就已應用，70年代以后，又對采用澆筑式瀝青混凝土作為高土石壩心墻防滲體的可行性開展了深入研究，并在俄羅斯的北部、西伯利亞寒冷地區(qū)的土石壩建設(shè)中相繼被采用，規(guī)劃設(shè)計壩高達140 m，其技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先地位[6-7]。與俄羅斯相比，我國對澆筑式瀝青混凝土心墻壩的認識和應用，相對比較保守和落后。

本文將通過澆筑式瀝青混凝土心墻壩與碾壓式瀝青混凝土心墻壩的應力應變性狀對比，探討拓寬澆筑式瀝青混凝土心墻壩應用的可行性。

1 計算模型與計算參數(shù)

1.1 瀝青混凝土的本構(gòu)模型

瀝青混凝土是以散粒礦質(zhì)材料為骨架，以瀝青膠漿(瀝青與填料混合料)為膠結(jié)料形成的固體材料，視自身的溫度不同，它隸屬于彈性或彈塑性材料，有時也被認為具有蠕變特性的黏彈性材料。認識上的差別反映出人們對瀝青混凝土的基本性能認知尚欠深入。

多數(shù)研究者認為瀝青混凝土類似于壩料等粒狀材料的性能，常溫下被視為彈性非線性材料，采用鄧肯-張模型來表征其本構(gòu)關(guān)系，其中以采用E～μ模型[8-16]居多。其切線變形模量與切線泊松比計算公式及參數(shù)如下：

(1)

μt=

(2)

式中：Et為切線變形模量，需K、n、φ、c、Rf等5個有三軸實驗得到的常數(shù)計算；μt為切線泊松比，需G、F、D等3個實驗參數(shù)。

上述模型是基于摩爾-庫侖強度理論，材料破壞是剪應力或主應力差引起，因此，結(jié)構(gòu)是否安全，應以該域的剪應力水平來進行評價。

1.2 計算模型與方案

1.2.1 計算模型

設(shè)定大壩坐落于基巖上，計算模型采用瀝青混凝土心墻壩壩高為100 m，壩頂寬9.0 m，上游壩坡均為1∶2.2，下游邊坡1∶2.0，心墻厚度沿壩高線性變化，其中心墻頂部厚度取0.6 m，底部厚度取壩1.10 m，壩體填筑分區(qū)由上游到下游分別為：上游壩殼料區(qū)、水平寬度3 m的過渡料層、水平寬度0.3 m的薄層單元區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游薄層單元、下游過渡層和下游壩殼料區(qū)。

坐標系豎向為Y軸，順河向為X軸。

有限元網(wǎng)格采用四邊形單元，為反映壩殼與瀝青心墻工作性態(tài)，在心墻和過渡料交界面之間設(shè)置薄層單元。有限元網(wǎng)格剖分見圖1。大壩的有限元網(wǎng)格共有單元總數(shù)599個(其中：壩殼料479個單元，過渡層40單元，薄層單元40，瀝青混凝土心墻40個單元)，結(jié)點總數(shù)713個。圖1為標準計算模型網(wǎng)格圖。

圖1 大壩二維網(wǎng)格圖

1.2.2 計算方案

采用平面有限元對澆筑式與碾壓式瀝青混凝土心墻壩的應力應變性態(tài)進行研究?？紤]到瀝青混凝土的性質(zhì)受溫度影響較大，研究時采用常溫25℃時瀝青混凝土的力學性能指標作為基本方案，以4℃作為佐證方案，分別計算兩種工況：

竣工期：壩體填至壩頂高程，此時僅承受自重荷載；

滿蓄期：壩體填至壩頂高程，并蓄水至正常高水位，除自重荷載外，增加了水平荷載。

壩體填筑及蓄水的加載過程：大壩壩填筑分為10級，蓄水分為6級。蓄水時上游水下部分施加浮托力，同時，水壓力以面力的形式作用在瀝青混凝土心墻上游面上。

1.2.3 計算參數(shù)

表1給出了有限元分析的基本參數(shù)，瀝青混凝土的非線性參數(shù)選自王德庫[17]研究成果。其余參數(shù)由新疆農(nóng)業(yè)大學研究所提供。

壩料1與壩料2旨在研究壩體填筑材料的工程性質(zhì)，對瀝青混凝土心墻壩應力應變性態(tài)的影響。

2 瀝青混凝土心墻壩應力應變性狀分析

2.1 位 移

表2給出了澆筑式與碾壓式瀝青混凝土心墻壩，兩種壩型典型剖面的應力應變分析成果，以及不同溫度下的位移分析成果。

2.1.1 壩體位移

圖2給出了滿蓄期澆筑式瀝青混凝土心墻壩25℃時沉降與水平位移的等值線分布圖。由圖2可知其最大沉降值為26.69 cm，向上游水平位移9.3 cm，向下游水平位移為16.74 cm。

圖3為滿蓄期碾壓式瀝青混凝土心墻壩25℃時的沉降與水平位移的等值線分布。其最大沉降值為25.18 cm，向上游水平位移9.43 cm，向下游水平位移為16 cm。

表1 壩體材料鄧肯-張E～μ模型力學參數(shù)

表2 不同溫度下瀝青混凝土心墻壩應力應變極值統(tǒng)計

圖2 25℃澆筑式瀝青混凝土心墻壩滿蓄期位移等值線圖

圖3 25℃碾壓式瀝青混凝土心墻壩滿蓄期位移等值線圖

從整體上看，兩種壩型的壩體位移量級在同一數(shù)量級上，二者的位移分布規(guī)律相同，無顯著差別，這表明壩體的位移與心墻采用何種瀝青混凝土無關(guān)。

2.1.2 瀝青混凝土心墻垂直沉降

圖4給出了相同溫度25℃下澆筑式與碾壓式瀝青混凝土心墻竣工期和滿蓄期垂直沉降沿壩高的分布，可以看出兩種類型心墻垂直沉降沿高程分布基本重合，分布規(guī)律與沉降量級均在同一水平上，無顯著差別。垂直沉降極值都發(fā)生在壩高中部附近，約為25 cm上下，占壩高的0.25%，與已建工程的觀測成果分布規(guī)律相同，并在同一數(shù)量級上。

圖4 25℃溫度下澆筑式、碾壓式瀝青混凝土心墻竣工期和滿蓄期垂直沉降沿壩高分布

2.1.3 瀝青混凝土心墻水平位移

圖5給出了相同溫度25℃下澆筑式與碾壓式瀝青混凝土心墻竣工期和滿蓄期水平位移沿壩高的分布，其規(guī)律類同。由于心墻位于壩體中央，竣工期僅承受自重荷載，順河向位移表現(xiàn)具有對稱性，指向上、下游的水平位移在同一數(shù)量級上；滿蓄期由于受庫水水荷載的作用，指向下游的位移將大于指向上游位移，澆筑式瀝青混凝土心墻向下游的水平位移極值為8.82 cm，碾壓式心墻向下游的水平位移極值為8.18 cm，兩種壩型指向下游的水平位移值在數(shù)量上差別不大，約占壩高的0.08%，與已建工程在同一數(shù)量級上。兩種壩型水平位移沿壩高分布規(guī)律相同。

圖5 25℃溫度下澆筑式、碾壓式瀝青混凝土心墻竣工期和滿蓄期水平位移沿壩高分布

盡管澆筑式與碾壓式瀝青混凝土的材料配合比不同，處在不同溫度下的應力應變參數(shù)各異，從位移的角度看，兩種壩型的各位移的計算結(jié)果均在同一量級上，最大位移發(fā)生的幾何位置基本相同，沿壩高分布規(guī)律相同，反映出澆筑式與碾壓式瀝青混凝土心墻各運行工況下，其位移性狀是一致的，與心墻材料性狀無關(guān)。

2.2 應 力

2.2.1 壩體大、小主應力

圖6給出了滿蓄期澆筑式瀝青混凝土心墻壩25℃時的大、小主應力的等值線分布。由圖6可知其大主應力極值為2.20 MPa，小主應力極值1.16 MPa。

圖7為滿蓄期碾壓式瀝青混凝土心墻壩25℃時的大、小主應力等值線分布。大主應力極值為2.24 MPa，小主應力極值為1.14 MPa。

大、小主應力沿壩高遞減而增加，在壩基處達到最大。在心墻上下游界面鄰區(qū)，大、小主應力等值線分布形態(tài)急劇變化，表明心墻內(nèi)主應力產(chǎn)生了降低，原因在于心墻變形模量小于堆石，其變形受壩殼約束，產(chǎn)生拱效應作用所致。

2.2.2 瀝青混凝土心墻的大、主應力

表2給出了不同溫度下，澆筑式與碾壓式瀝青混凝土心墻大主應力極值統(tǒng)計，心墻中大、小主應力均為壓應力，無拉應力產(chǎn)生。大、小主應力值均在已建工程的經(jīng)驗范圍內(nèi)。

圖8給出了25℃時滿蓄期澆筑式瀝青混凝土心墻壩的大、小主應力沿高程分布。由圖8可知大、小主應力沿壩高遞減而增加，在壩基處達到最大。其大主應力極值為1.65 MPa，小主應力極值1.38 MPa。

圖8同時給出了25℃時滿蓄期碾壓式瀝青混凝土心墻的大、小主應力沿高程分布，大主應力極值為2.76 MPa，小主應力極值為1.68 MPa。

圖6 25℃澆筑式瀝青混凝土心墻壩滿蓄期大、小主應力等值線圖

圖7 25℃碾壓式瀝青混凝土心墻壩滿蓄期大、小主應力等值線圖

圖8 25℃碾壓式與澆筑式瀝青混凝土心墻滿蓄期大、小主應力沿高程分布

從大小主應力分布規(guī)律來看，兩種類型心墻是一致的，但澆筑式瀝青混凝土心墻的大、小主應力均明顯低于碾壓式瀝青混凝土心墻，其原因在于澆筑式瀝青混凝土的變形模量低于碾壓式，并為過渡層所約束，拱效應作用導致瀝青心墻的部分豎向應力傳遞到壩殼，造成了澆筑式心墻大主應力極值低于碾壓式心墻。

兩種壩型中由于受水荷載的影響，滿蓄期的大、小主應力均大于竣工期。

2.2.3 瀝青混凝土心墻的應力水平

應力水平是判別材料極限平衡區(qū)的一項重要指標。表2給出了澆筑式與碾壓式瀝青混凝土心墻壩兩種壩型、典型剖面的應力水平分析成果。

圖9給出了壩體應力水平等值線分布，兩種類型的分布規(guī)律基本相同，澆筑式的最大應力水平值位于壩高下部五分之一壩高處，其極值為0.42。碾壓式的最大應力水平位于心墻底部，其極值為 0.46。

表2給出了澆筑式和碾壓式瀝青混凝土心墻的應力水平統(tǒng)計值，其量級均未超過0.5，表明兩類心墻具有較高的安全儲備。不會因瀝青混凝土配合比的差異給大壩安全帶來不利影響，因此大壩及瀝青混凝土心墻結(jié)構(gòu)具有足夠安全性。

圖9 25℃不同瀝青混凝土心墻壩滿蓄期應力水平等值線圖

由以上對澆筑式與碾壓式瀝青混凝土心墻壩應力應變分析不難看出：大壩的應力應變性態(tài)，受心墻瀝青混凝土材料性質(zhì)影響較小，采用兩種心墻材料所得大壩的應力變形規(guī)律變化不大。

3 壩料工程特性對瀝青混凝土心墻壩應力應變性狀的影響

為研究壩體材料性能對瀝青混凝土心墻壩應力應變性態(tài)的影響，選用相同的瀝青混凝土，而不同的壩體填筑材料，對標準剖面(圖1)，進行二維有限元分析，計算參數(shù)見表2，所得結(jié)果見圖10。

圖10 不同壩料時瀝青混凝土心墻水平位移沿壩高分布

由圖10可知：同種壩殼料(壩料1或壩料2)時，澆筑式與碾壓式瀝青混凝土兩類心墻的同種位移分量基本相同；對不同壩殼料(壩料1與壩料2)時，對應的瀝青混凝土心墻的水平位移值相差較大。例如同為滿蓄期，當壩體為壩料1時，兩類瀝青混凝土心墻的垂直位移均在25 cm左右，向下游的水平位移皆為16 cm左右；當壩體為壩料2時，兩類瀝青混凝土心墻的垂直位移皆為68 cm左右，向下游的水平位移皆為30 cm左右。這充分顯示出不同壩殼料時瀝青混凝土心墻位移性狀的影響，顯然瀝青混凝土心墻的位移是由壩殼料的工程性質(zhì)所控制，與心墻瀝青混凝土的性質(zhì)關(guān)系不大。

瀝青混凝土心墻為當?shù)夭牧蠅蔚姆罎B主體，嵌固于壩殼料中間，作為一種受力結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在施工期，它承受著自重應力和受兩側(cè)壩殼約束產(chǎn)生的近乎對稱側(cè)向應力；蓄水運行期，將增加承受由庫水產(chǎn)生的單邊側(cè)向水壓力，上游堆石體還將承受浮托力作用。由于瀝青混凝土心墻厚度較薄，僅占壩體中的很小部分，且其變形模量遠低于壩體填料，受力以后的應力應變性態(tài)完全受控于兩側(cè)壩體，且保持著與壩體的變形協(xié)調(diào)。因此，瀝青混凝土心墻僅為一傳力結(jié)構(gòu)，并發(fā)揮其防滲功能。

4 結(jié) 論

(1) 通過以上研究，在相同壩料條件下，澆筑式瀝青混凝土心墻壩與碾壓式瀝青混凝土心墻壩的應力應變性態(tài)幾乎無差別，大壩的工程性態(tài)是由壩殼料性能所控制，心墻瀝青混凝土自身的性能的影響較小，這表明瀝青混凝土心墻，在大壩中是傳力結(jié)構(gòu)和防滲結(jié)構(gòu)，控制填筑壩體性狀優(yōu)劣是大壩安全的保證。

(2) 不論心墻采用何種瀝青混凝土，相同壩殼料和壩高條件下，大壩的應力應變性狀各指標具有相同的量級，這表明大壩的應力應變性態(tài)，受心墻瀝青混凝土材料性質(zhì)影響較小，采用兩種心墻材料所得大壩的應力變形規(guī)律變化不大。

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Stress and Deformation Characteristics of High rockfill Dam with Asphalt Concrete Core

YU Lin

(XinjiangWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignResearchInstitute,Urumqi,Xinjiang830000,China)

Study stress and strain of one hundred meters pouring and rolling compacted dam with asphalt concrete core is of great significance to the development of high dam with asphalt concrete core. Through plane finite element analysis, the results show that the dam stress and strain state obviously controlled by filling of the dam material properties, and stress and strain is less affected by the properties of asphalt concrete, stress and deformation rules did not change by two kinds of core materials of the dam.

asphalt concrete; pouring; rolling type; dam of core wall; stress and strain

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.022

2016-08-01

新疆水利水電工程重點學科資助項目(XJZDXK-2010-02-12)

余 林(1989—)，男，四川達州人，碩士，工程師，主要從事應用當?shù)夭牧现蔚难芯抗ぷ鳌?E-mail：781060626@qq.com

TV641.4+1

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1672—1144(2016)06—0107—06