土壩位移沉陷分析

齊曉華

（山西省汾河水庫管理局山西太原030032）

1 工程概況

某均質(zhì)土壩擋水建筑物壩頂高程75.3 m（本文高程均為相對高程），最大壩高為63.8 m，壩頂寬度為6 m，采用混凝土路面，壩底寬為209.9 m，上游坡比1∶1.6，下游坡比1∶1.75，下游壩坡在高程為50.0 m 處，設置了寬度為2 m 的馬道。土壩的正常蓄水位為72.0 m，設計洪水位為72.8 m。

2 計算方法

土壩應力應變采用二維非線性有限元計算分析法，基本機制原理是將復雜問題簡單化后，通過數(shù)學中近似的方法對實體進行模擬接近真實結(jié)果，其具有計算精度高、適合各種復雜的形狀、方便性、實用性、有效性的優(yōu)點，因而成為一種行之有效、應用廣泛的數(shù)值分析方法。

有限元分析法能真實模擬壩體逐級加荷施工過程、分析材料的塑性、剪脹（或縮）性、動力特性、計算復雜的邊界及空間求解問題，因而接近土壩的實際工作狀況。采用此方法可有效快速分析出壩體的位移沉陷等數(shù)據(jù)及結(jié)果。

3 計算分析

采用Duncan-Chang E～B 模型對壩體位移變形情況進行計算分析。

3.1 模型建立

模型擬定水流方向為X 軸，指向下游方向為正，Y 軸為垂直方向，指向上為正。

3.2 模擬過程

采用Duncan-Chang E～B 模型來模擬壩體在施工期間、蓄水期間、運行期間、洪水期間因荷載等因素產(chǎn)生的水平、垂直位移情況，進而得出產(chǎn)生的原因及結(jié)果。

施工期間模擬：模擬壩體施工工序的推進及壩體逐漸成型的全過程，模擬隨著工序增加和荷載遞增對壩體產(chǎn)生的影響，從而可知壩體產(chǎn)生水平、垂直位移，通過計算分析后還可知產(chǎn)生位移的主要原因及結(jié)果。

蓄水期間模擬：通過模擬壩體蓄水過程中隨著水位的逐步提高壩體水平、垂直位移的變化情況，來分析計算導致水平、垂直位移的主要原因，除此之外還需模擬因蓄水導致材料浸水后是否有水平、垂直位移的變化來判斷浸水對位移的影響。

運行期間模擬：模擬蓄水完成后壩體進入穩(wěn)定滲流期狀態(tài)下有無水平、垂直位移情況，從而判斷變形的主要來源。

洪水期間模擬：模擬設計洪水位時壩體受力情況和壩體有無水平、垂直位移變化，進而判斷安全穩(wěn)定運行的條件。

3.3 荷載計算

壩體施工期間荷載計算分為5 級逐步加載，第1級為基礎地應力荷載計算，第2～5 級為壩體在施工填筑過程中荷載加載計算。

壩體蓄水期間荷載計算為第6 級荷載，共分為三小級來加載。第一級水位在26.0 m 時；第二級水位在37.80 m 時；第三級為設計蓄水位72.0 m 時。

當達到設計的蓄水位72.0 m 時，同時也是穩(wěn)定滲流期荷載的計算過程。

第7 級荷載是當水位達到72.8 m 時的設計洪水位荷載計算過程。

3.4 計算參數(shù)

土體容重γ 為22.5 kN/m3，浸水后為23.5 kN/m3；摩擦角φ 為40°，浸水后為38°；破壞比為0.68，浸水后為0.62；彈性模量系數(shù)k 為720，浸水后是640；彈性模量指數(shù)n 為0.3，浸水后仍為0.3；體積模量系數(shù)kb為288，浸水后為200；體積模量指數(shù)m 進水前后均為0.08；卸荷切線模量系數(shù)kur為1 440，浸水后為1 280。

4 計算結(jié)果

以下成果圖中箭頭所指方向為正，位移單位均為cm，水平位移圖數(shù)字為正即表示土體向下游方向移動，垂直位移圖數(shù)字為負即表示土體垂直向下沉陷。

4.1 施工期

施工期壩體材料的自重為主要荷載。在施工過程中水平位移主要變化為上下游橫向獨立擴展，即上游和下游各自沿著上下游方向橫向變化，當施工完成后達到了水平方向位移的最大值（上游負向位移13.0 cm，下游正向位移10.6 cm），見圖1。

在填筑過程中垂直位移的變化趨勢為：垂直位移沉降量隨著填筑壩體的不斷增高逐漸增大，當施工完成后達到最大即35.3 cm，發(fā)生沉降的部分主要在壩體中部，見圖2。

4.2 蓄水期

經(jīng)計算分析后，蓄水期產(chǎn)生位移主要原因是由壩體自身重量及水壓力造成，水平位移和垂直位移詳細情況如下：

水平位移：當蓄水位達到26.0 m 時見圖3，上游的水平負向位移逐漸增大，下游的水平位移逐漸減小，由此可知浸水后的變形與基礎上的水荷載作用較大。當蓄水位達到37.8 m 時見圖4，上游的水平負向位移達到最大值20.9 cm，下游的水平位移開始逐漸增大，由此可知影響水平位移的主要因素為水壓力和浮托力。隨著水位持續(xù)升高，下游的水平位移持續(xù)增大，水壓力的作用更加明顯。

垂直位移：當蓄水位達到26.00 m 時見圖5，垂直位移急劇增大，沉降最大區(qū)域集中在上游。當蓄水位達到37.8 m 時見圖6，垂直位移沉降達到48.9 cm。隨著水位持續(xù)升高，垂直位移沉降持續(xù)增大。

圖1 竣工期的水平位移

圖2 竣工期的垂直位移

圖3 蓄水位達到26.0 m 時水平位移

圖4 蓄水位達到37.8 m 時水平位移

圖5 蓄水位達到26.0 m 時垂直位移

圖6 蓄水位達到37.8 m 時垂直位移

4.3 穩(wěn)定滲流期

當蓄水完成后，開始進入正常運行階段，此階段即為穩(wěn)定滲流期。經(jīng)計算分析可知此時產(chǎn)生水平、垂直位移主要作用的荷載來自于壩體自重和正常蓄水壓力。

水平位移：水平位移趨勢為，上游區(qū)間向上游區(qū)間水平位移，下游區(qū)間向下游水平位移，最大位移量為22.0 cm，見圖7。

垂直方向見圖8，垂直位移沉降為52.2 cm，主要發(fā)生在壩體中部。

4.4 洪水期

洪水期水平位移和垂直位移計算分析主要從設計洪水位進行，通過分析造成壩體位移的原因、變化特點來判定使壩體安全穩(wěn)定運行的條件及狀態(tài)。

當水位到達設計洪水位時，水平位移幅度大于正常蓄水位時最大數(shù)值，下游區(qū)間的水平位移可達23.0 cm（見圖9），垂直位移沉降52.2 cm（見圖10），垂直位移沉降幾乎沒有變化。

圖7 穩(wěn)定滲流期水平位移

圖8 穩(wěn)定滲流期垂直位移

圖9 設計洪水位時水平位移

圖10 設計洪水位時垂直位移

5 結(jié)論

5.1 壩體水平位移

通過計算分析后可知壩體水平位移在蓄水過程中變化范圍較明顯，位移范圍為9.25～22.0 cm。隨著蓄水位的不斷提升，位移呈現(xiàn)出從上游向下游轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，當蓄水位達到設計水位線72.0 m 時，位移達到最大值且出現(xiàn)在順水流方向的下游區(qū)間，峰值為22.0 cm。

5.2 壩體垂直位移

通過計算分析后可知壩體垂直位移沉陷隨水位的升高而增大，當水位達到設計水位線72.0 m 時，壩體垂直位移沉降為52.2 cm，當水位到達設計洪水位時，垂直位移沉降變化不大。

6 建議

基于以上的計算結(jié)果及成果分析，浸水導致的變形往往會使壩頂形成不均勻的沉降，從而引起橫向伸長變形甚至裂縫，因此浸水變形是導致壩體裂縫的重要因素之一，建議對大壩的蓄水期及運行期強化觀測監(jiān)控，以保證大壩安全運行。