考慮濕化作用的土石壩應(yīng)力變形計(jì)算

孫向東 金津麗

土石料在一定應(yīng)力狀態(tài)下浸水飽和，由于水的潤滑以及顆粒中礦物遇水溶解等，土石料顆粒之間會(huì)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)、滑移甚至破碎，在重力的作用下調(diào)整到新的位置，進(jìn)而產(chǎn)生濕化變形。在初期堆石壩建設(shè)中，主流觀點(diǎn)認(rèn)為壩體填筑料的濕化引起的變形很小，在設(shè)計(jì)中可以忽略。但目前建成的一些堆石壩觀測(cè)結(jié)果揭示：大壩蓄水之后，雖然受水的浮力作用，但土石料卻發(fā)生豎直沉降而非上抬。

為更加精確地預(yù)測(cè)大壩的應(yīng)力變形，進(jìn)行土石料的濕化浸水變形研究對(duì)工程設(shè)計(jì)非常有意義。目前國內(nèi)外學(xué)者已建立多種可用于進(jìn)行土石壩濕化變形計(jì)算的計(jì)算模型和方法，如：由Nobari 和Duncan 提出的基于雙線法的初應(yīng)變求解方法并對(duì)Oroville 土壩進(jìn)行了計(jì)算；沈珠江在某一應(yīng)力狀態(tài)下浸水的單線法試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出的Cw－Dw模型等。本文利結(jié)合實(shí)際工程，用巖土專業(yè)有限元計(jì)算軟件MIDAS GTS NX，研究礫石土心墻壩在施工、蓄水過程中，考慮濕化作用對(duì)礫石土心墻堆石壩壩體和心墻的水平位移、豎直沉降、大小主應(yīng)力等的影響，為土石壩設(shè)計(jì)中是否需要考慮濕化作用提供依據(jù)。

1 濕化變形計(jì)算方法

目前濕化變形的計(jì)算常采用雙線法，即分別對(duì)風(fēng)干土樣和飽和土樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，把相同應(yīng)力條件下的干態(tài)與濕態(tài)變形的差值作為此應(yīng)力條件下的濕化變形量。在土石壩有限元分析計(jì)算中，通常采用增量的分析方法：

單元在浸水前的應(yīng)力狀態(tài)為{σd}，假設(shè)它是由n級(jí)應(yīng)力增量逐級(jí)增加達(dá)到的，則每級(jí)應(yīng)力增量為：

對(duì)于每級(jí)應(yīng)力增量，采用干態(tài)的勁度矩陣［Dd］求解應(yīng)變?cè)隽縶Δc} ：

勁度矩陣[Dd]是與當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)的干態(tài)彈性或塑性矩陣。將各級(jí)增量產(chǎn)生的{Δc}累加，可得浸水之前總應(yīng)變{c}。

假設(shè)浸水前后應(yīng)變一致，則浸水后每級(jí)應(yīng)力的增量可由下式計(jì)算：

式中 [Dw]——浸水飽和狀態(tài)下的勁度矩陣。

將各級(jí)增量下的{Δσw}累加，即得浸水后的總的應(yīng)力{σw}。

按假想約束的思路，可確定由濕化作用產(chǎn)生的“初應(yīng)力”為：

然后將此假想的“初應(yīng)力”約束釋放，轉(zhuǎn)化為等效結(jié)點(diǎn)荷載，即

式中 [B]——單元的幾何矩陣；負(fù)號(hào)表示將等效結(jié)點(diǎn)荷載反向作用在各結(jié)點(diǎn)上。

由等效結(jié)點(diǎn)荷載{F}作用在土體上，即可求得由于浸水濕化所引起的附加位移和附加應(yīng)變。若同時(shí)施加水壓力、浮托力，便可得到考慮了水壓力、浮托力和濕化作用的結(jié)果。

2 計(jì)算參數(shù)與計(jì)算模型

某水庫工程攔河壩為當(dāng)?shù)夭牧蠅?，大壩壩頂長(zhǎng)522 m，壩頂高程1 340.50 m，防浪墻頂高程1 341.7 m，壩頂寬14.0 m，最大壩高161.5 m，心墻頂寬10 m，上、下游坡度均為1∶0.3。心墻上下游分別設(shè)置3.0 m 寬反濾層和3.0 m 寬過渡層。心墻上游側(cè)為上游堆石區(qū)，下游為下游堆石區(qū)，上下游分別設(shè)置一定區(qū)域，投放利用料。大壩上游壩坡為1∶2.1；下游壩坡為1∶1.65，下游坡面設(shè)八級(jí)上壩道路，寬10 m，下游綜合邊坡1∶2.15。在下游壩體標(biāo)高1 198.00 m 以下設(shè)置水平排水區(qū)，水平排水層與下游過渡層相接，排水體末端設(shè)置排水棱體。表1 列出某水利樞紐工程礫石土心墻壩壩體穩(wěn)定計(jì)算與鄧肯張E-B 模型計(jì)算力學(xué)參數(shù)指標(biāo)建議值。由于未做土石料濕化試驗(yàn)，參考其他工程，濕化前各土石料的參數(shù)值Kˊ僅將鄧肯E-B模型中的參數(shù)K在此基礎(chǔ)上提高10%～20%，其余參數(shù)取值保持不變。

表1 土石壩壩體材料鄧肯-張模型參數(shù)取值表（含水狀態(tài)：飽和）

本工程庫壩區(qū)范圍地層巖性主要泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，巖石強(qiáng)度總體較低，風(fēng)化層厚度普遍較大。弱風(fēng)化-微新巖的巖屑石英砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度40～60 MPa，屬中硬巖，微新粉砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30～40 MPa，屬中硬巖，但軟化系數(shù)偏低，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化的砂巖、弱風(fēng)化粉砂巖、微新泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為15～30 MPa，屬較軟巖，強(qiáng)度和軟化系數(shù)均較低。強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度小于10 MPa，屬軟巖。表2 列出了大壩地基采用的計(jì)算力學(xué)參數(shù)建議值。

表2 地基采用的計(jì)算力學(xué)參數(shù)建議值表

本文對(duì)堆石壩填筑施工過程進(jìn)行模擬，根據(jù)礫石土心墻堆石壩的施工特點(diǎn)，荷載采用逐級(jí)施加的方式，礫石土心墻與壩體堆石同步碾壓上升。按壩體施工填筑的先后順序分32 級(jí)來加載，其中第1 級(jí)進(jìn)行地基加載求初始地應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)完成混凝土防滲墻的施工；第2 級(jí)～第32 級(jí)模擬筑壩料的分級(jí)填筑；第33 級(jí)模擬蓄水至正常蓄水位，第34 級(jí)模擬蓄水后的應(yīng)力平衡和濕化作用。整體有限元模型網(wǎng)格如圖1 所示。

3 計(jì)算結(jié)果

壩體正常運(yùn)行期計(jì)算結(jié)果見表3。

為直觀看出濕化作用對(duì)壩體位移產(chǎn)生的影響，將考慮濕化的計(jì)算結(jié)果減去不考慮濕化的計(jì)算結(jié)果，得到的沉降差云圖如圖2 所示。可以看到上游受濕化作用影響明顯，1∕3 壩高附近由于濕化引起的沉降甚至多達(dá)0.5 m 左右；下游由于蓄水后心墻的阻水作用，幾乎沒有因?yàn)闈窕饔靡鸬某两怠?/p>

圖1 大壩整體有限元模型網(wǎng)格圖

表3 壩體正常運(yùn)行期靜力計(jì)算結(jié)果匯總

4 結(jié) 語

在開采和碾壓施工過程中軟巖堆石料巖塊易于破碎，且軟化系數(shù)小。但對(duì)于缺少理想筑壩料源的地區(qū)來講，其儲(chǔ)量豐富、開采費(fèi)用低，作為筑壩料利用和推廣有著廣闊的前景。不少工程已將其放在主堆石區(qū)，并有壩體全斷面采用軟巖料作為填筑料的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于軟巖筑壩后蓄水濕化產(chǎn)生變形的問題本文在設(shè)計(jì)和計(jì)算方面有如下建議：

圖2 濕化作用引起的沉降云圖

（1）為避免填筑壩體完成后，在蓄水過程中濕化變形過大影響工程安全，建議在碾壓填筑過程中采取噴水預(yù)變形措施。

（2）在土石壩的應(yīng)力變形計(jì)算中應(yīng)計(jì)入濕化作用，否則在進(jìn)行蓄水計(jì)算后，壩體可能由于孔隙水壓力作用導(dǎo)致有效應(yīng)力降低，進(jìn)而產(chǎn)生向上的位移導(dǎo)致壩體上浮。這顯然與實(shí)際監(jiān)測(cè)情況不符。

（3）單線法和雙線法在土石壩的濕化計(jì)算中均有一定地位，但雙線法更實(shí)用，對(duì)實(shí)驗(yàn)要求也較低，適用性比單線法更強(qiáng)，推薦采用雙線法計(jì)算土石壩的濕化作用。

（4）軟巖筑壩應(yīng)研究其流變特性，計(jì)入筑壩材料的流變效應(yīng)，對(duì)筑壩蓄水后壩體的長(zhǎng)期變形和穩(wěn)定做進(jìn)一步研究。