（水工结构工程专业论文）重力墙式堆石坝及墙背堆石压力的有限元分析.pdf

四川大学硕士学位论文 重力墙式堆石坝及墙背堆石压力的有限元分析 水工结构工程专业 研究生：刘侠指导教师：张立勇 摘要 重力墙式堆石坝的构造是上游侧为混凝土或浆砌石砌体的重力墙，下游侧 为堆石，也有的坝上游侧是干砌石重力墙，上游面另设置混凝土或浆砌石等防 ， 渗墙。库水压力、淤沙压力和扬压力等主要荷载由重力墙与堆石体共同承担， 重力墙与堆石体互相支撑，维持稳定。 本文的研究结构为重力墙式堆石坝，研究的目的在于针对不同的工况下， 重力墙式堆石坝的变位、应力及重力墙墙后堆石压力的大小和分布趋势，揭示 重力墙墙背粗糙度对重力墙式堆石坝位移、应力及墙背堆石压力不同程度的影 响，力求验证重力墙式堆石坝的传统设计方法，使重力墙式堆石坝结构设计更 趋于合理化，基于以上认识，本文做以下几个方面研究及得出的主要结论： ( 1 ) 当同时考虑堆石体的力学特性和重力墙式堆石坝的变形特性时，作者 用有限单元法对结构体系讲行分析研究，堆石体采用弹塑性的d p ( d r u c k e r p r a g e r ) 本构模型，研究不同的工况下，清溪沟水库工程变位、应 力大小及分布趋势及重力墙墙后堆石压力的大小和分布情况。 ( 2 ) 有限元分析中，在堆石与重力墙之间引入无厚度的接触单元，调整重 力墙与堆石体接触面的摩擦系数，研究接触面摩擦系数对重力墙式堆石坝的变 位、应力分布及墙后堆石压力的影响情况。结果显示重力墙墙后堆石压力也随 着摩擦系数的增大而减小。 ( 3 ) 用传统的经典力学公式算求清溪沟水库空库和蓄水两种工况下重力墙 上下游边缘应力应力及重力墙墙背堆石压力大小，利用变位方程法计算重力墙 四川大学硕士学位论文 水平位移。 ( 4 ) 对有限元计算的重力墙式堆石坝重力墙的上下游边缘垂直应力、水平 位移以及墙背堆石压力和经典力学公式计算出的结果进行比较，结果有一定的 差异，究其原因主要是因为两种计算方法的不同模型造成的。 ( 5 ) 重力墙及堆石体整体的应力都比较小，仅局部出现拉应力，所以可以 对重力墙的形状和砌筑材料进一步优化，以降低工程造价。 关键词：重力墙堆石压力库仑理论极限平衡理论有限元分析 四川大学硕士学位论文 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h eg r a v i t yt y p er o c k f i l l d a ma n dt h er o c k f i up r e s s u r eo n t h eb a c ko fg r a v i t yw a l l m a j o r ：e n g i n e e r i n go f h y d r a u l f cs t r u c t u r e p o s t g r a d u a t e ：l i ux i aa d v i s o r ：z h a n gl i y o n g a b s t r a c t t h eg r a v i t yt y p er o c k f i l ld a mi st h et y p eo ft h ed a mo nw h i c hu p p e rs i d ei st h e c o n c r e t eo rt h eg r o u ts t o n e sg r a v i t yw a l l ，a n dt h ed o w n s t r e a ms i d ei sr o c k f i l l o rt h e u p p e rs i d ei st h ed r ys t o n e sg r a v i t yw a l la n do i li ts e t t i n gt h ec o n c r e t eo rt h eg r o u t s t o n e sa st h ed a m p i n f l u e n tw a l l t h em a i nl o a d ss u c ha st h ew a t e rp r e s s u r e ，t h e s a n dp r e s s u r e ，t h eu p l i f tp r e s s u r ea n ds oo na r ec a r r i e do nb yb o t ht h eg r a v i t yw a l l a n dt h er o c k f i l lb o d y t h eg r a v i t yw a l la n dr o c k f i us u p p o r te a c ho t h e rt ok e e pt h e s t a b i l i z a t i o no ft h ew h o l es t r u c t u r e i nt h ep a p e r , t h ea u t h o rh a ss t u d i e dt h eg r a v i t yt y p er o c k f i l ld a m ，a n dd os o m e r e s e a r c ht of i n dt h ed i s c i p l i n a r i a no ft h ed e f o r m a t i o n ，t h es t r e s so ft h es t r u c t u r ea n d t h er o c k f d lp r e s s u r eo nt h eb a c ko ft h eg r a v i t yw a l lw h e nt h er e s e r v o i ri se m p t ya n d s t o r a g i n gw a t e r a n dt h e nc h a n g i n gt h ec o e f f i c i e n to f f r i c t i o nb e t w e e nt h eg r a v i t y w a l la n dt h er o c k f d lb o d yt of i n do u tt h ea f f e c t i o nt ot h ed e f o r m a t i o n ，t h es t r e s so f t h es t r u c t u r ea n dt h er o c k f i l lp r e s s u r eo nt h eb a c ko ft h eg r a v i t yw a l l u s i n gt h i s m e t h o dt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h ec l a s s i c a lm e c h a n i c sf o r m u l a b a s i n gt h e c o n c l u s i o nt h eg r a v i t yw a l la n dt h es t r u c t u r es i z eo ft h er o c k f i l ld a ma r ef u r t h e r e x c e l l e n tt ob ed e s i g n e d i nt h i sp a p e rt h ea u t h o rd os o m er e s e a r c ha n da c h i e v es o m e r e s u l t sa sf o l l o w i n g ： 3 四川大学硕士学位论文 f i r s t l y ，a to n e t i m ec o n s i d e r i n gt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h er o c k f i l la n d t h ea n a m o r p h i cc h a r a c t e r i s t i co ft h eg r a v i t yr o c k f i l ld a m ，t h ea u t h o rq s e st h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dt oc a l c u l a t et h ed a m sd e f o r m a t i o n ，s t r e s sa n dt h er o c k f i l l p r e s s u r eo n t h eg r a v i t yw a l lb a c ko nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h ed pm o d e li su s e di n t h es t a t i ca n a l y s i s s e c o n d l y ，d u r i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h et h i c k l e s sc o n t a c te l e m e n t i s u s e d ，a n dc h a n g i n gt h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o no nt h ec o n t a c te l e m e n tt of i n do u tt h e a f f e c t i o nt ot h ed e f o r m a t i o n ，s t r e s so ft h es t r u c t u r ea n dt h er o c k f d lp r e s s u r eo nt h e b a c ko ft h eg r a v i t yw a l l f r o mt h er e s u l t ，w ek n o wt h a ta l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o nt h er o c k f i l lp r e s s u r eo nt h eg r a v i t yw a l lb a c ki sr e d u c i b l e t h i r d l y , u s i n gt h ec l a s s i c a lm e c h a n i c sf o r m u l a t ot h ea c c o u n tt h ep a r a l l e l d i s p l a c e m e n t ，s t r e s so nt h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a ma n dr o c k f i l lp r e s s u r eo n t h e b a c ko ft h eg r a v i t yw a l lw h e nt h er e s e r v o i ri se m p t ya n dd e p o s i t i n gw a t e r f o u r t h l y ，t h er e s u l to f a n s y sa n a l y s i sa n dt h er e s u l to fc l a s s i c a lm e c h a n i c s f o r m u l ai sd i f f e r e n to nt h ep a r a l l dd i s p l a c e m e n t ，s t r e s so nt h eu p s t r e a ma n d d o w n s t r e a ma n dr o c k f i l lp r e s s u r eo nt h eb a c ko ft h eg r a v i t yw a l l ，t h er e a s o ni st h a t t h es u p p o s e so ft h em e t h o d si sd i f f e r e n t ! f i f t h l y ，t h ew h o l es t r e s so n t h eg r a v i t yw a l la n dr o c k f i l lb o d yi sa l ls m a l l e r ，o n l y i np a r t i a lp l a c ee m e r g e n c et e n s i o ns t r e s s ，s ot h es h a p eo f t h eg r a v i t yw a l la n dt h e b u i l d i n gm a t e r i a lc a nb ef u r t h e ro p t i m i z e d ，t h e nt h ec a p i t a lc o s to ft h ee n g i n e e r i n g b l 】j l dw i l 】b er e d u c e d k e yw o r d s ：t h eg r a v i t yw a l l ， r o c k f i l lp r e s s u r e ，c o u l o m bt h e o r y ， t h el i m i te q u i l i b r i u mt h e o r i e s ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 4 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 1 1 1 堆石坝的发展 五千年前，人类为了生活用水和农田灌溉，开始修筑塘坝蓄水。公元前2 9 0 0 年，在埃及首都m e m p h i s 城附近的尼罗河上，建造了一座高1 5 m 、长2 4 0 m 的 k o s h e i s h 砌石坝。公元前2 6 0 0 年，在开罗附近建造了一座名为s a d d e l k a f a r a 的坝，高1 2 m 、长1 0 8 m ，此坝在两道干砌块石中间填筑土料防渗，但未 设溢洪道，旋即因洪水漫顶而冲毁。1 。公元前1 0 0 0 年，s h e b a 王国( 今北也门) 在其首都m a r i b 附近建造了m a r i b 坝，高2 0 m 、长6 0 0 m ，用大块石干砌，上下 两层块石间用铅块楔接，上游面抹石灰浆防渗，此坝到5 7 0 年才毁坏。与此同 时，在墨西哥城东南2 6 0 k m 的p u r r o n 修建了类似的坝，坝高1 9 m ”。 中国是建坝最早的国家之一。春秋时代，海河流域也出现了一些塘坝工程。 公元前6 1 3 年，楚国宰相孙叔敖，在今安徽寿县西南，建成了芍陂灌溉工程， 即今安丰塘水库，经历代整修，使用至今。公元前2 5 0 年，在四川岷江修建了 都江堰，创造了竹笼填卵石筑坝壅水和溢洪的堰。公元前2 4 0 年( 秦始皇七年) ， 在陕西侉口郑国渠渠首建成3 0 m 高的木笼填石坝。公元前2 1 4 年，在连通长江 与珠江的灵渠工程上( 今广西兴安县) ，建成高5 m 、宽1 7 m 的砌石溢流分水堰， 名为天平堰，坝体用条石干砌，各条石问用铁水浇铸的键联结，此坝经历维修， 运行至今“1 。公元前3 4 年，在河南泌阳河修建了马仁陂堆石坝，残坝坝高1 6 m ， 经历代维修，运行至今。 公元初所建的坝，只有建在岩基上的块石条石坝且有铁键楔接的，能抵御 溢流冲刷，才能存在至今。砂质地基上的堆石坝，因泄洪和渗透稳定两大关键 问题没有解决，故冲毁殆尽。有的坝如洪泽湖大堤能够存在至今，是靠不断维 修加固并增建减水闸和滚水坝之故。由于筑坝经验的积累和基本理论的创立， 才使近代建造的堆石坝安全可靠。 堆石坝是以堆石体作为支承，而以土、混凝土、沥青混凝土等材料作为防 渗体的一种坝型。随着筑坝经验的积累和新型施工机械的应用，这种坝的设计 和施工技术以及坝的结构型式，都得到了不断的发展，其发展过程大体经历了 三个阶段“1 ： 四川大学硕士学位论文 ( 1 ) 自1 9 世界中叶至1 9 4 0 年前后为初期阶段。堆石的施工主要以抛填为 主，辅以高压水枪冲实。堆石体的密实度差，沉降和水平位移量都较大，旋工 期的沉降量可达坝高的5 ，竣工后沉降量仍有坝高的1 2 ，给堆石体的 防渗结构造成困难。这个时期采用的钢筋混凝土面板，由于堆石体过大的变形 导致较严重的裂缝和渗漏，一些坝多年不能正常运用。有的坝采用木面板和钢 面板，在适应堆石体的变形方面虽有所改善，但处在水位变动区的木料易于腐 烂，钢板则易于锈蚀，都不能使问题得到较满意的解决。故在比较长的一段时 间内，堆石坝的发展处于停滞状态。 ( 2 ) 1 9 4 0 年前后至1 9 6 5 年为过渡阶段。由于土力学、土工试验技术与碾 压设备的进步，采用土质防渗体的心墙堆石坝和斜墙堆石坝有了比较大的发展。 良好施工的土质防渗体可以适应堆石体较大的变形而保持其防渗性能。这一时 期2 0 0 3 0 0 m 级的高土石坝的建设促进了高效率重型碾压机具的发展，特别是 大型振动碾的出现及其应用于堆石的压实，使堆石填筑质量大大提高，可容许 使用过去认为质量较差的石料填筑坝体，从而在安全和经济方面均使堆石坝的 竞争能力得以提高，使堆石坝获得了新生。 ( 3 ) 1 9 6 5 年至今是钢筋混凝土面板堆石坝( 简称面板坝) 的发展阶段。 面板坝采用振动碾薄层碾压填筑，堆石体压缩性小，面板的防渗效果得以保证， 加上面板结构在设计、施工上的改进，使这种坝具有运行性能好，经济效益高 等优点，在我国以及许多国家已成为可行性研究中优先考虑的坝型。1 9 8 8 年至 1 9 9 0 年间我国建成了首批1 0 座面板坝。 1 1 2 重力墙式堆石坝的发展 重力墙式堆石坝是堆石坝的一种，适用于人力资源丰富、机械化水平不高 的广大农村地区，属于中小型水利工程。重力墙式堆石坝的构造是上游侧为混 凝土或浆砌石砌体的重力墙，下游侧为堆石，也有的坝上游侧是干砌石重力墙， 上游面另设置混凝土或浆砌石等防渗墙。重力墙与堆石体互相支撑，维持稳定。 这种坝型，早期上游部多是干砌石或浆砌石体，在干砌石体上游都修建有 钢筋混凝土斜墙作为防渗墙，如图1 1 所示的里利夫坝“1 。因为在早期，堆石 没有压实的方法，为了避免堆石沉陷引起混凝土斜墙开裂，故在坝上游部分设 四川大学硕士学位论文 置大体积的干砌石。而下游部的堆石体也就不要更多的压实了。由于砌石费人 工，即使用吊车砌置，施工速度也是很慢的，所以当堆石可以高层抛填、水枪 冲实以及后来采用碾压方法，能确保堆石沉陷不过大之后，这些坝型在国外已 很少采用了。但在我国，由于人力资源丰富，在上个世纪5 0 7 0 年代末期，修 建了一批这类工程。这些坝，经过几十年的运行后，其工作形态如何，有必要 进行分析研究以确保工程安全运行。 我国修建这类坝起源于香港地区的九龙新民坝，坝高8 4 米，上游侧是混凝 土重力墙，下游侧是松散堆石体。剖面如图1 2 。 五十年代，四川狮子滩坝由于坝基岩石软弱( 砂页岩互层) ，土料质量不好， 所以也选择了混凝土重力墙堆石坝”1 ( 图1 3 ) 。为了保证墙的下游侧有足够大 的堆石压力以抗御水库水压力，在墙背也象新民坝那样，修建了一个很大的、 构造很复杂的、用钢筋网水泥板隔开的堆石楔形体。所以建造这样人工滑动体， 是由于对堆石被动压力不了解，因而令其发生很大的主动压力来代替它。 我国许多地区由群众修建了许多水库。为了节约水泥、降低造价，多用浆 砌块石来代替混凝土重力墙。其中较高的坝有1 9 6 6 年在河南省建成的高8 0 米 的陈家院坝及在河北省的车谷坝等。 图1 1 里利夫坝 四川大学硕士学位论文 图1 2 新民坝 图1 3 狮子滩坝 1 1 3 重力墙式堆石坝的结构形式 重力墙式堆石坝根据所建重力墙的不同材料分为：混凝土重力墙堆石坝， 浆砌石重力墙堆石坝和干砌石重力墙堆石坝等类型。 混凝土重力墙堆石坝很少见，因为这种坝型的混凝土量很大，与混凝土轻 型坝相当，甚至与混凝土重力坝接近，而额外还要大量堆石，要用两套施工机 械，施工麻烦费事。除了上述新民坝外，我国四川还建有狮子滩坝，坝高5 0 米，重力墙上游坡度1 ：o 3 。重力墙的剖面是根据空库或满库条件下，墙的稳 定和墙底部应力情况决定的。为了使满库时墙背有足够大的堆石压力，设置了 人工滑动面，是因为对墙后堆石压力的大小不清楚。在水库水压力下，墙向下 4 四川大学硕士学位论文 游位移，堆石产生的被动土压力要大于主动土压力，但主动土压力又不大( 因 堆石内摩擦角较大) ，所以为了增大主动土压力而设置了人工滑动面。 为了使墙受力情况良好，以及为了避免设置复杂的人工滑动体，将混凝土 重力墙作成上游面垂直( 或有很小的坡度) 而下游面具有一定坡度的形式，应 该是合理的。 重力墙堆石坝中多数是浆砌石重力墙堆石坝。这种坝的剖面如塔岗坝。上 游侧浆砌石墙的剖面与混凝土墙相同，但是一般浆砌石质量不高，防渗性不很 高，因而常在上游面加设浆砌条石，甚至混凝土防渗斜墙等防渗结构。重力墙 下游侧为堆石，有的坝在堆石与浆砌石之间还加设干砌石。对于有足够厚度的 重力墙时，这层干砌石就没有必要，但如果浆砌石重力墙较薄，为了维持重力 墙的稳定加设干砌石体却是需要的，如双源口坝。 对于不高的坝，浆砌石重力墙上游面铅直可以节省工程量，如竹溪源坝， 这个坝高2 3 米，重力墙上游面铅直，墙底宽7 米，墙背堆石体中加设厚1 米的 砂砾人工滑动面，但未做到下游坝面。 高达7 4 米的河北省武安县的车谷坝，重力墙上游边坡，在4 3 米高的上部 是铅直的，为了增加重力墙的稳定，墙的下部有l ：0 3 的边坡，墙基设有两道 排水孔，充分利用上游水重并减少墙底扬压力。这样的设计，节省了许多浆砌 石量。这个坝的堆石是用吊斗从7 8 米高处抛填的”。 重力墙的防渗结构一般有三种： ( 1 ) 混凝土或钢筋混凝土面板，如双源口坝和双喜坝等； ( 2 ) 浆砌条石厚度为水头的十分之一。根据河南一些坝的观测，浆砌石 在水库运行初期渗水较大，并有相当多的游离钙质带出。经数月后，渗水量明 显减少； ( 3 ) 在浆砌石重力墙内部、靠近上游面附近设置混凝土防渗墙。如高3 7 米的西湾坑坝和大坑坝等。 为了防止堆石与浆砌石墙的不均匀沉陷产生坝顶裂缝，有些坝，如西湾坑 坝和双源口坝等，在坝顶设置不大的砂砾楔体，它与狮子滩坝的人工滑动楔体 是不同的。 江西双喜坝，高4 7 5 米，为了维持重力墙的稳定，将重力墙建成扶壁式。 四川大学硕士学位论文 重力墙上游面坡1 ：0 3 ，下游坡铅直，支撑垛厚2 5 米，间距2 0 米。支撑垛 工程量也不大，而维持墙稳定的作用较好。 浙江大坑坝采用另外一种办法来节约重力墙的体积。大坑坝高4 5 米，浆砌 石重力墙顶厚2 米，底厚1 2 5 米。在重力墙靠近基础处设置厚1 毫米的沥青砂 浆滑缝。重力墙在水库水压力下，可以有向堆石方向的较大位移，堆石可产生 较大的平衡压力，也可避免因墙底固结引起墙体产生弯曲裂缝。 重力墙做了滑缝之后，在滑缝处的弯矩应等于零。在相同荷载作用下有滑 缝的重力墙的剖面将小于固结式的重力墙。但有滑缝的重力墙在空库时，易因 堆石压力而向库内滑动；因此应将滑缝作为阶梯型，使它承担剪力。 在开阔河谷的重力墙堆石坝，为了避免墙的不均匀沉陷和避免过大的温度 收缩应力，最好沿坝轴线方向设置温度缝。缝间距2 0 4 0 米，贯穿重力墙上下 游。缝两侧均浇筑混凝土，混凝土接触面间涂抹沥青油毡，并设置止水或沥青 止水片。 干砌石重力墙堆石坝，早期的、也是有一定代表性的如里利夫坝及马罗派 苏坝。马罗派苏坝高达8 7 米( 从截水壕底部起算) ，是这类坝中较高者。干砌 石重力墙堆石坝上游要靠混凝土、木板、沥青混凝土等刚性斜墙防渗，因此有 时与刚性斜墙堆石坝不能严格区分。干砌石体积愈小，上游坡度就需要愈缓。 1 2 堆石压力理论的研究概况 1 2 1 堆石压力研究现状 堆石压力是堆石与支挡结构相互作用的结果，堆石与结构材料的界面上常 有较大的剪力，这是两种材料变形不一致引起的，混凝土的变形很小，而堆石 在荷载作用下有较大的压缩，受到墙的摩擦阻力后，便将荷载通过剪力传递给 墙体。这种剪应力传递实际上是墙体受力的主要来源。 1 7 7 3 年，库仑伽( c a c o u l o m b ) 发表了以滑动土体整体极限平衡为条件 的库仑土压力理论，其后于1 8 5 7 年朗肯( w j m r a n k i n e ) 也发表了以微分土 体极限平衡为条件的朗肯土压力理论，此后许多学者，如太沙基( k t e r z a g h i ) 、 契波塔廖夫( t s c h e b o t a r i o f f ) 、皮克( r b p e c k ) 、毕晓普( a e b i s h o p ) 、罗威 ( r w r o w e ) 等，对土压力的计算理论及方法进行了研究，提出了许多新的计 6 四川大学硕士学位论文 算方法和计算理论，如索柯洛夫斯基的极限平衡理论、能量理论、水平层计算 方法、土压力的空间计算理论等，并且扩展了库仑和朗肯土压力理论的应用范 围，使堆石压力的研究有了基础。 首先对经典土压力理论提出质疑的是t e r z a g h i ，通过大规模的模型试验 ( t e r z a g h i ，1 9 3 2 ，1 9 3 4 ，1 9 3 6 ) m 帅2 儿”1 ，t e r z a g h i 获得了极限状态和挡土 结构变形之间的关系，并指出，只有当堆石体的水平位移达到一定值，堆石体 产生剪切破坏时，c o u l o m b 和r a n k i n e 堆石压力值才是正确的。并进一步证实 ( t s c h e b o t a r i o f f ，1 9 6 2 ) “”：当挡土结构绕墙趾转动时，主动堆石压力为三角 形分布，而当挡土结构平移、绕墙顶转动和绕墙中部转动时，主动堆石压力为 非线性分布。 为了确定堆石压力的分布形式，挡土结构不同变位方式下堆石压力大小和 作用点，许多学者进行了大量不同规模的模型试验，r o s c o e ( 1 9 7 0 ) “”通过试 验研究，证实了被动堆石压力的大小、方向和作用点通常取决于挡土结构的变 位方式。 f a n g 和i s h i b a s h i ( 1 9 8 6 ) “o 进行了模型试验，试验结果表明：墙体平移时， 被动堆石压力为直线分布，墙体转动时，堆石压力为非线性分布，堆石压力大 小与合理作用点和墙体的变位方式有关。 b a n g ( 1 9 8 5 ) “”认为堆石体从静止状态到极限主动堆石应力状态是一个渐 变的过程，提出了“中间主动状态”的概念，指出堆石压力计算应同时考虑墙 体变位方式和变位大小，并建立了绕墙趾转动时的主动堆石压力表达式。 1 2 2 影响堆石压力的主要因素 堆石压力的计算是一个复杂的问题，它涉及到堆石、墙身以及地基三者之 间的共同作用，所以作用在重力墙上的堆石压力，其大小和分布与许多因素有 关“”，例如： ( 1 ) 重力墙的形式和墙体的刚度； ( 2 ) 重力墙表面的倾斜度及其粗糙程度； ( 3 ) 重力墙的变形和位移； ( 4 ) 堆石的物理力学性质； 7 四川大学硕士学位论文 ( 5 ) 重力墙表面荷载的情况； ( 6 ) 地下水的情况。 重力墙形式不同，作用在其上的堆石压力的大小和分布也不相同，库仑理 论和朗肯理论主要适用于刚性墙体。柔性墙体由于受到墙体本身变形的影响， 堆石压力及其分布与刚性支挡墙有很大区别。 重力墙表面的粗糙度和倾斜度将直接影响到作用在墙面上的堆石压力的大 小和作用方向，作用在光滑墙面上的堆石压力要比作用在粗糙面上的堆石压力 小。前者堆石压力的作用方向与墙面的法线一致，而后者则与墙面法线成某一 角度( 等于墙面与填土的摩擦角) c i s * 此外，墙面的俯仰角愈大，则作用在墙 面上的堆石压力也愈大。 堆石的不均匀性不仅影响到墙面上堆石压力的大小，而且也影响到堆石压 力沿墙面的分布。 重力墙的位移和变形与堆石压力的大小有直接关系。太沙基( t e r z a g h i ， 1 9 3 2 ，1 9 3 4 ，1 9 3 6 ) 通过大规模的模型试验得到，当墙体结构绕墙趾转动时， 主动堆石压力为三角形分布( 见图1 4 ( a ) 、图1 4 c o ) ) ，而当墙体结构平移、绕 墙顶转动和绕墙中部转动时，主动堆石压力为非线性分布( 见图1 4 ( c ) 、图 1 4 ( d ) ) 。 牾匿厦8 匾 )( c ) 图1 4 堆石压力的分布与墙体位移方式的关系 ( d 1 2 3 计算堆石压力的主要理论方法 ( 1 ) 古典堆石压力理论 现在国内外堆石压力计算仍采用古典的极限平衡理论，即库仑( c o u l o m b ， 1 7 7 6 ) 和朗肯( r a n k i n e ，1 8 5 7 ) 土压力理论，其计算简单和力学概念明确。古 四川大学硕士学位论文 典堆石压力理论都基于以下假定“”：支挡结构视为刚性体，堆石体是理想刚塑 性体，服从m o h r - c o u l o m b 准则。依照古典堆石压力理论，得到的是极限平衡 状态下的堆石压力值，堆石压力值为直线分布。但堆石压力是堆石与支挡结构 之间相互作用的结果，挡墙的不同变位方式，墙面的摩擦特性，以及墙后填土 的变形与强度特性都对支挡结构所受侧压力值大小和分布规律产生影响，古典 的堆石压力理论无法考虑以上的诸多因素的影响，因此工程实测的堆石压力值、 压力分布及合力作用点和古典堆石压力理论计算得到的堆石压力往往有较大差 异。 ( 2 ) 有限单元法计算堆石压力 自从1 9 6 6 年，c l o u g h 和w o o d w a r d 将有限单元法首先用有限元法分析土 坝问题以来，有限元法在岩土工程中的应用发展迅速，并取得了巨大进展“1 。 从c l o u g h 和d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 嘲开始，许多国内外学者对土石体压力问题相继 采用了有限元法来进行研究分析。并依照模型试验结果数据分析相对照，指出 支挡墙后堆石压力的分布规律和墙体移动对堆石压力的影响，为堆石压力理论 的进一步完善奠定理论基础。 用有限元法来进行堆石压力问题的分析，可以很好地处理堆石体的应力应 变关系、复杂的边界条件。但由于堆石与结构间的相互作用问题较为复杂，堆 石压力问题的研究受到了一定程度的限制曙2 1 。 有限单元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界问题，而堆 石体应力变形分析恰恰就存在这些困难问题，因此很适于用有限元法。 1 3 本文研究的主要内容 本文的研究结构为重力墙式堆石坝，研究的目的在于针对不同的工况下， 重力墙式堆石坝的变位、应力及重力墙墙后堆石压力的大小和分布趋势，揭示 重力墙墙背粗糙度对重力墙式堆石坝位移、应力及墙背堆石压力不同程度的影 响，力求验证重力墙式堆石坝的传统设计方法，使重力墙式堆石坝结构设计更 趋于合理化，基于以上认识，本文做出以下几个方面研究： ( 1 ) 当同时考虑堆石体的力学特性和重力墙式堆石坝的变形特性时，作者 用有限单元法对结构体系讲行分析研究，堆石体采用弹塑性的d p 四川大学硕士学位论文 ( d r u c k e r - p r a g e r ) 本构模型，研究不同的工况下，清溪沟水库工程变位、应力 大小及分布趋势及重力墙墙后堆石压力的大小和分布情况。 ( 2 ) 有限元分析中，在堆石与重力墙之间引入无厚度的接触单元，调整重 力墙与堆石体接触面的摩擦系数，研究接触面摩擦系数对重力墙式堆石坝的变 位、应力分布及墙后堆石压力的影响情况。指出设计中应注意问题。 ( 3 ) 用传统的经典力学公式算求清溪沟水库空库和蓄水两种工况下重力墙 上下游边缘应力应力及重力墙墙背堆石压力大小，利用变位方程法计算重力墙 水平位移。 ( 4 ) 对有限元计算的重力墙式堆石坝的应力、位移以及墙背堆石压力进行 分析，并和经典力学公式计算出的结果进行比较分析。 l o 四川大学硕士学位论文 2 清溪沟水库工程 2 1 工程概况 2 1 1 工程概况 清溪沟水库位于重庆江津县清溪沟乡清溪沟村，处于綦江河水系清溪河中 游，地理位置东经1 0 6 0 2 47 ，北纬2 8 。5 07 ，是一座以灌溉为主，结合发电、防 洪、水产养殖等综合效益的中型水利工程。 水库总库容1 6 3 8 万m 3 ，滞洪库容4 3 0 万m 3 ，兴利库容1 0 4 8 万m 3 ，死库 容1 6 0 万m 3 。设计灌溉面积5 3 万亩。建成条石干渠四条，总长5 2 0 3 4 k m 。 利用水库水头和跌水，建成坝后电站2 3 2 0 k w ，石板岚垭电站1 2 5 0 k w ，1 x 8 0 0 k w ，七孔子电站2 x1 2 5 0 k w ，竹林间电站2 4 0 0 k w ，洞底下电站2 5 0 0 k w ， 总装机5 9 9 0 k w ，隶属水库管理。水库为三等工程，主要建筑物为3 级。次要建 筑物为4 级。 该工程于1 9 7 7 年1 1 月5 日正式动工兴建，1 9 8 3 年1 2 月完工。 2 1 2 枢纽工程的结构及特点 清溪沟水库枢纽工程由拦河坝、溢洪道、灌溉发电取水管和水库放水底孔等 部分组成。 拦河坝总长1 8 8 m ，自左向右依次为：左岸非溢流坝长8 6 8 m ，最大坝高3 7 o m ； 中部溢流坝长4 7 4 m ，最大坝高4 3 m ；右岸非溢流坝长5 3 8 m ，最大坝高3 5 0 m 。 灌溉引水管置于非溢流坝内，管轴线距溢流坝左导墙边缘2 0 o m 。 溢流坝堰顶采用克一奥i i 型曲线，溢流坝面斜坡段坡率1 ：0 7 5 ，下接r = l o m 的反弧段，鼻坎挑流消能，挑射角2 5 。堰顶高程为6 1 7 o o m ，上游坝面以l ： 1 坡度下降至6 1 3 8 7 m 高程，然后垂直下降至6 0 0 o o m 高程，再次以l ：0 3 的 坡度下降至5 8 2 o o m 高程。最低坝底高程为5 7 7 o o m ，上下游有齿槽，齿槽最低 高程为5 7 4 o o m ，最大坝底宽度4 7 4 m ，最大坝高4 3 o m ，坝体外壳部分用7 5 4 水泥砂浆砌条石，内部在高程6 0 0 o o m 以下用1 5 0 4 细石混凝土砌条块石，高程 6 0 0 o o m 以上则用1 0 0 ”细石混凝土砌条块石，大坝下游坡面用1 0 0 4 水泥砂浆斜 砌条石，反弧段用2 5 0 4 钢筋混凝土，厚5 0 a m 。见图2 1 。 四川大学硕士学位论文 图2 1 清溪沟水库溢流坝典型断面图 非溢流坝的断面组成为：上游重力墙部分用细石混凝土砌粗清( 半清) 条石 筑成，墙顶厚1 0 m 。上游坡面为l ：0 2 ，与2 0 宽的灌浆平台相接，下游面坡 率为l ：0 1 ，其下游方向紧接一个粗清条石干砌体，这部分顶宽1 5 m ，上游面 与重力墙的下面紧贴，即坡率为1 ：一o 1 ，下游面为1 ：0 5 ，更下游部分为砌 石( 毛条石及块石) 体，针对左右岸地基条件，其下游坡率有所不同，左右岸非 溢流坝均在下游6 0 7 o m ，设有2 0 m 宽的马道，在此高程以上，左岸非溢流坝下 游坡率为l ：1 1 0 5 ，此高程一下坡率为l ：1 2 ；右岸则在此高程以上坡率l ： 1 4 ，以下则为l ：1 5 。见图2 2 和图2 3 。 图2 2 左岸非溢流坝段典型断面图 四川大学硕士学位论文 图2 3 右岸非溢流坝段典型断面图 2 1 3 工程地质概况和材料力学参数 清溪沟水库工程区大地构造单元属于四川盆地川东褶皱带华莹山帚状构造 南端，水库位于低凹的中峰寺向斜。地震基本烈度小于度。 坝址处出露的地层为侏罗系上统蓬莱镇组j ，至，层砂岩，泥质粉砂岩， 砂质粘土岩的不等厚互层，岩层走向平行于河床，倾向右岸，倾角3 7 0 4 2 0 ， 地质构造简单，无断裂构造，仅有裂隙作为构造形迹的主要表现。在坝址区的节 理有：风化节理、原生节理和构造节理。风化节理在地表面比较发育，原生节理 在部分岩层中表现为层面裂隙发育，受构造影响，间有层面裂隙擦痕。夹泥及次 生的石膏薄膜。 构造节理以反岩层倾向一组最为发育，其走向与岩层走向( 南北向) 基本一 致，即也与河流平行，为压性节理裂隙，裂面平直，较少填充物，面上可见擦痕， 宽度为2 3 0 m m ，最宽达到0 2 m ，长度一般为5 t o m ，最长达到4 7 m 。基坑中j ：- 3 7 与，。9 层砂岩裂隙较为发育，但往深部进入泥质粉细砂岩、沙岩粘土层中裂隙 逐渐消失。河床下部以砂岩为主，岩石完整风化层较薄；左岸为砂岩与粘土岩互 层，砂岩为主；右岸仍为互层，但以粘土岩为主。砂岩湿抗压强度为3 3 3 8 8 9 k g c m 2 ，左岸及河床建基面摩擦系数取为0 4 5 ，重力墙体在基本荷载组合时 允许压应力为4 1 x1 0 6 p a ，基岩表面允许压应力左岸取为6 0 x1 0 6 p a 。本文计算 取定材料参数见表2 1 0 四川大学硕士学位论文 表2 1清溪沟水库材料参数表 参效 容重弹模e 泊松凝聚力c内摩擦角 膨胀角 名藉 ( t m 3 )( p a ) 比1 ( p a ) 西( 0 ) ( o ) 重力墙 2 31 1 1 0 90 21 3 1 0 54 2 0 0 o 堆石f 体1 2 0 50 7 1 0 90 3 50 8 1 0 54 0 0 o 0 堆石体2 1 7 50 7 1 0 9o 2 51 9 1 0 54 5 00 o 基岩 2 15 1 0 9o 22 2 1 0 54 3 0 0 o 2 2 清溪沟水库重力墙的稳定及堆石压力的计算 水利工程中许多构筑物如重力墙和基坑围护结构等支挡结构，都起着支撑 并保持着堆石体稳定的作用，使之不致坍塌。如果支挡结构在堆石压力的作用 下，其本身不发生变形和任何位移( 移动或转动) ，堆石体处于弹性平衡状态， 则这时作用在支挡结构上的压力称为静止压力。支挡结构在堆石压力作用下向 离开堆石体的方向移动，随着这种位移的增大，作用在支挡结构上的堆石压力 将从静止压力逐渐减小。当堆石体达到主动极限平衡状态时，作用在支挡结构 上的压力称为主动压力，它是堆石压力的最小值。支挡结构在荷载作用下向堆 石体方向位移，使堆石体达到被动极限平衡状态时的压力称为被动压力，它是 堆石压力的最大值。实际上，堆石压力是堆石体与支挡结构之间相互作用的结 果，大部分情况下的堆石压力均介于上述三种极限状态土压力之间。 2 2 1 空库工况下 不少人认为重力墙堆石坝的圬工量太大，不够经济。重力墙厚度大的原因 在于空库时重力墙受堆石压力很大所致。因此如能进一步研究空库时重力墙的 应力与变形状态以后墙后堆石压力的大小及分布趋势，则可以在重力墙结构上 加以改进( 如在迎水面设置扶垛，重力墙体积可以减少很多) ，优化重力墙式堆 石坝的截面型式，则可以大大降低工程造价。 目前，堆石压力的计算通常是建立在极限平衡理论基础上，采用平面破裂 面的假定，常用的堆石压力计算方法主要有库仑压力理论、朗肯压力理论以及 1 4 四川大学硕士学位论文 基于这些理论的计算方法和图解法。 在空库条件下，重力墙受到墙后堆石压力，重力墙要满足抗滑和稳定的要 求。一般文献皆认为计算方法应参照重力坝设计，即在一般情况下，合力应通 过计算截面的三分点以内，避免墙趾出现拉应力。这时，根据有关文献及手册 建议，重力墙后堆石主动压力可以采用经典的库仑方法和由试验得到的m a 林伯特方法计算。”。”。考虑到库仑方法已经流行多年且偏安全，故采用该 方法。其原理见下图。 一9 0 + 巾+ 0 。卅1 剿y 9 0 爿( 。+ 由)l n 重力墙和滑动楔体 力矢三角形堆石压力强度分布图 假设堆石的破裂体为a a b c 的楔体，楔体在极限平衡状态时，由w 、r 、e 三力组成平衡力系。其中： 卜滑动楔体的重力，w = ix a a b c ； r 滑动面a c 上的垂直反力与摩擦力的合力； e 作用于重力墙上的堆石主动压力，它与墙背的法线成6 角； 6 堆石与墙背问的摩擦角。 最大主动堆石压力e 。的计算步骤如下： ( 1 ) 先算出a a b c 的面积s ： s ：壁x c o s ( a + p ) x 塑皇虫( 2 1 ) 2c o s2 t z c o s ( 0 一卢) ( 2 ) 计算堆石主动压力e ： 堆石e 与体积力w 的关系为 四川大学硕士学位论文 e ：竺盟丝l ( 2 2 ) s i n ( o + 毋+ 口+ 艿1 令妒= 占。，+ 口十d = 6 ：，t z 石h2 百c o s ( a + f 1 ) = a ，则 e ：as i n ( 0 + v t ) c o s ( o + 0 1 ) ( 2 3 ) c o s ( o 一卢) s i n ( o + 0 2 ) ( 3 ) 计算最大堆石推力e 一相应的破裂角 微分式( 2 3 ) ，得 s i n ( 6 + 6 2 ) c o s + 6 1 ) c o s ( 卢一a ) - c o s ( 6 一9 ) s i n ( 0 + a ) c o s ( 0 2 - 6 1 ) = 0 ( 2 4 ) 则最大堆石推力e 。，相应的破裂角 0 = t g 一- 二! 圭显至 ( 2 5 ) 2 x 式中 工= c o s ( 一卢一a ) s i n 6 lc o s 6 2 + c o s ( 0 2 - 6 1 ) s i n f l c o s o t y = c o s ( 6 2 6 1 ) c o s ( n 一芦) 一c o s ( 一芦一a ) c o s ( 6 1 + 6 2 ) z = c o s ( 0 2 6 1 ) s i n ac o s f l c o