摘要：本文采用邓肯模型对西霞院土石坝的变形进行三维非线性有限元分析计算，分析坝基深层存在软岩对土石坝防渗系统的影响。
关键词：土石坝 软岩 三维非线性有限元 变形影响
土石坝对地质条件要求相对较低，在深覆盖层上直接修筑土石坝可以减少覆盖层开挖，节省工程投资。目前对建造在深厚覆盖层上的土石坝模拟计算中，坝基影响范围只取至覆盖层底部，覆盖层以下的基岩作为刚性体考虑，但实际工程情况并不完全相同。当覆盖层以下是变形模量很小的软岩时，坝体以及防渗可能产生更大的沉降和变形， 这将影响防渗系统的可靠性。
由于国内很少有这方面的工程实例介绍，故本文采用西霞院河床段土石坝作为计算模型，应用邓肯模型对坝体、坝基进行三维有限元计算，分析坝基深层存在软岩对土石坝坝体变形的影响以及对防渗系统的影响。
1 工程概况
西霞院工程建于小浪底大坝下游16公里处的黄河干流上，坝址位于吉利区和孟津县白鹤镇之间，属于低山丘陵区。工程的开发任务是以反调节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水综合利用。工程布置采用土石坝，坝长约2600m，坝体采用砂卵石坝壳复合土工膜防渗斜墙，坝基防渗采用砼防渗墙。
坝址地形呈宽阔"U"型河谷，宽约3km。河床两侧分布高漫滩及Ⅱ级阶地。坝址处两岸河漫滩表层为2m～7m的新近沉积的砂壤土、砂层等，结构松散，靠近两岸Ⅱ级阶地其上部多分布有粉质壤土。河漫滩下部为砂砾石层，一般厚20m～28m，中等密实状态。砂砾石层下部基岩由上第三纪砂岩与粘土岩互层组成，饱和抗压强度平均值为4.3MPa，属极软岩类岩体。
2 计算模型及材料参数
2.1 计算模型
西霞院土石坝坝顶高程139.0m，最大坝高21.0m，坝顶宽8米，上游边坡1：2.75，下游边坡1：2坝，上游设壤土铺盖与斜墙相连进行防渗。计算工况：上游水位134.75m，下游水位126.23m。取100m河床段作深部软岩对坝体变形的影响分析，河床段剖面示意图见图1。
图1 河床段最大剖面图 （单位：m）
2.2 计算参数选择
坝基由表部松散粉细砂、中部砂砾石层及下部上第三系基岩地层组成。表部松散粉细砂，厚3.0m，粉细砂上部为砂壤土，厚1.0m，下部为砂层，厚2.0m，结构疏松；地层中部为砂砾石层，厚20m；地层下部为软岩，厚30m，弹性模量只有500Mpa（属于极软岩）。
坝体及坝基E～B模型计算参数见表1。
表1 E～B模型计算参数
|
参数 材料 |
土粒 比重 |
KN/m3 |
C KN/m3 |
Φ (O) |
K |
n |
Rf |
Kb |
m |
Kur |
nur | |||||
|
坝体压实砂砾 |
2.66 |
21.0 |
0 |
32 |
550 |
0.45 |
0.80 |
220 |
0.5 |
1100 |
0.45 | |||||
|
地基砂砾石Q4 |
2.66 |
21.0 |
0 |
32 |
500 |
0.48 |
0.82 |
200 |
0.4 |
1000 |
0.48 | |||||
|
地基砂砾石Q3 |
2.68 |
21.0 |
0 |
32 |
600 |
0.48 |
0.81 |
240 |
0.5 |
1200 |
0.48 | |||||
|
砼防渗墙C15 |
|
24.0 |
E=22000MPa， ν=0.167 | |||||||||||||
|
软 岩 |
|
17.1 |
E=500MPa， ν=0.3 | |||||||||||||
|
接 触 面 |
参 数 |
C KN/m3 |
Φ (O) |
K1 |
n‘ |
Rf’ |
| |||||||||
|
防渗墙与砂层 |
0 |
18 |
30000 |
1.0 |
0.9 |
| ||||||||||
|
防渗墙与砂砾层 |
0 |
22 |
36000 |
1.0 |
0.9 |
| ||||||||||
2.3 单元剖分及计算坐标
空间模型坐标系建立如下：顺河向为X轴，指向下游为正；竖直向为Y轴，竖直向上为正；坝轴线为Z轴，指向河谷中心（右岸）为正，指向左岸为负。土坝的有限元计算网格见图3.2。整个结构共剖分单元5208个，结点总数6315个。
图2 有限元计算网格图
2.4 荷载分级情况
在有限元模拟分析中，结合顺序共分十级加荷。第一级为坝基砂卵石层；第二级为河槽段截流围堰体；第三级为围堰防渗墙及第一级坝身；第四及至第七级为坝身；第八级分别为复合土工膜及上游面混凝土护坡；第九级为上游校核洪水134.75m及相应的下游水位126.23m。
转贴于3 计算结果及分析
3.1 对坝体变形的敏感性分析
考虑软岩情况与不考虑软岩情况下坝体的最大水平位移值及沉降值见表2。在两种情况下水平位移、最大沉降的绝对值均不大，考虑软岩与不考虑软岩的水平位移最大值变化微小，但考虑软岩影响情况下最大沉降值比不考虑软岩影响情况大2.5cm，坝体最大沉降值增大约5.5%。从水平位移最大值和沉降最大值以及坝体水平位移及沉降变形图可以看出：软岩的存在增加坝体变形，但对土石坝本身来说影响不大。
表2 考虑软岩与不考虑软岩坝体最大位移比较表
|
位 移 工 况 |
向上游最大 位移值(cm) |
向下游最大 位移值(cm) |
最大沉降值 (cm) |
|
考虑软岩影响 |
-10.6 |
22.6 |
-45.1 |
|
不考虑软岩影响 |
-10.2 |
22.4 |
-42.6 |
3.2 对坝坡面复合土工膜小主应变敏感性分析
上述讨论的变形值都是位于坝体内部，而对于坝体上游面由于其上铺设复合土工膜，是防渗系统的关键部位，也是设计比较关键的部位。这里分别列出两种情况下最大断面上坝坡面5个控制点应变值，控制点位置见图7，应变值见表3。
图7 坝面控制点位置示意图
从表3可以看出:在上游坝脚附近应变值较大，沿着坝高应变值逐渐减小。考虑软岩与不考虑软岩在点1和点2位置应变值变化明显，应变分别增大0.9%和1.2%，点3、点4和点5位置的应变值相差不大。假定复合土工膜与坝坡面土体变形协调一致，那么考虑软岩情况下上游坝坡脚位置复合土工膜的拉应力明显增大，对复合土工膜受力十分不利，在设计过程中应该引起注意。
表3 河床段剖面坝面复合土工膜控制点的小主应变值（单位：%）
|
点 |
位 置 |
小主应变值 | |||
|
考虑软岩 |
不考虑软岩 |
差值 |
增大比例 | ||
|
1 |
x=-44.9 y=125.0 |
9.62 |
8.72 |
0.9 |
9.4% |
|
2 |
x=-43.3 y=125.0 |
10.5 |
9.30 |
1.2 |
11.4% |
|
3 |
x=-40.4 y=125.8 |
4.33 |
4.18 |
0.15 |
3.5% |
|
4 |
x=-38.4 y=126.5 |
3.33 |
3.25 |
0.08 |
2.4% |
|
5 |
x=-32.2 y=128.8 |
2.88 |
2.79 |
0.09 |
3.1% |
注：考虑软岩影响比较时，差值＝考虑软岩应变值-不考虑软岩应变值，
增大比例＝(考虑软岩应变值-不考虑软岩应变值)/考虑软岩应变值
3.3 软岩对防渗墙变形和应力的影响
防渗墙变形及大小主应力计算结果见图8，考虑软岩影响计算出来防渗墙水平位移较大，底部105.0m高程附近二者相差1.4cm，沿着防渗墙高度方向，位置越高二者差值越大，到顶部125.0m高程处二者相差3.5cm。防渗墙大小主应力不考虑软岩影响情况的比考虑软岩影响的大。考虑软岩影响情况下防渗墙大、小主应力都有明显的减小，这对防渗墙的工作状态有利。但是考虑软岩情况下防渗墙的顶部位移明显增大，这将使防渗墙顶部与复合土工膜的连接部位发生破坏的可能性大大增强。因此在连接部位设计过程中宜将复合土工膜打折皱或者采用更加安全的措施--设置空腔式伸缩节等。
图8 防渗墙水平位移和大小主应力比较图
4 结论
当坝基覆盖层以下存在变形模量较小的软岩时（特别是坝基1倍坝高深度以下就存在软岩时），会增大坝体和防渗结构的变形和沉降，从而影响防渗系统的可靠性。在防渗体设计及计算过程中应考虑软岩的影响，而不能采取以往分析只考虑到覆盖层底部，而把软岩基岩作为完全刚性地基考虑。
由于水的力学作用和物理化学作用的相互影响，使得坝基软岩软化和受力变形情况更为复杂。本文只是对低土石坝进行分析，对于高土石坝坝基存在深层软岩的情况，应根据实际工程情况作更深入的研究。
参考文献
［1］束一鸣、朱晟，软硬岩相同地基上面板二、三维比较，河海大学学报，1996
［2］姜弘道，结构工程与岩土工程的现代计算方法及程序，河海大学出版社，1992
Deformation Effect of Soft Rocks in Deep-Level to
Embankment Dam
Abstract：In this paper， the deformation of Xixiayuan embankment dam is calculated by 3-D nonlinear FEM. Deformation effect of soft rocks in deep-level to embankment dam is analyzed.
Key Words: embankment dam deformation effect soft rocks
3-D nonlinear FEM