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土坝浸水变形分析论文
土坝浸水变形分析论文 摘要摘要：基于土坝浸水变形分析的增量有限元法，并结合邓肯Ｅ－Ｂ模 型，编制了相应的土坝应力及变形有限元计算程序。应用实例的计算结果表明， 所采用的增量有限元分析方法是合理的，所得计算结果也是接近实际的。摘要：浸水变形本构模型增量有限元法 １引言 众所周知，土坝对水的功能十分敏感，尤其在水库蓄水初期，土坝会发生 某些非凡的变形。比如，水库初次蓄水期，土坝上游坝壳表面往往产生向上游的 位移，这和水压力功能的方向正好相反，同时还伴随一定的下沉，而不是想象中 的随浮托力的增大而上抬。大量的探究成果表明，产生这种现象的根本原因就在 于坝体土料的浸水变形，或称湿化变形［１，２］。浸水变形往往使坝顶发生横 向的伸长变位从而引起坝体发生不均匀沉降，甚至导致坝体产生纵向裂缝［１］。
因此，如何对初次蓄水期土坝的浸水变形进行准确而合理地分析，在此基 础上把握其发生和发展的规律，对确保土坝的正常运行具有重要意义。
２浸水变形的分析方法 目前有关浸水变形增量分析方法的探究还不够深入。但据笔者分析，文献 ［２］所建议的一种增量分析方法，即增量有限元法，相对而言还是较为合理的。
其基本原理如下摘要：设单元在浸水前的应力状态为｛σｄ｝，假定它是由ｎ级 应力增量按比例增加达到的，则每级应力增量为式中，刚度矩阵［Ｄｄ］是和当 前的应力状态有关的干态非线性弹性或弹塑性矩阵。
将各级增量下的｛Δε｝累加，即得浸水前的总应变｛ε｝。
假定浸水前后应变相同，则浸水后每级的应力增量可按下式计算摘要：
｛Δσｗ｝＝［Ｄｗ］｛Δε｝（３） 式中［Ｄｗ］为浸水饱和状态的刚度矩阵。
将各级增量下的｛Δσ｝累加，即得浸水后的总应力｛σ｝。按假想约束的思路，可确定由浸水变形产生的“初应力”为 ｛Δσ｝＝｛σｄ｝－｛σｗ｝（４） 然后，将此假想的“初应力”约束释放，转化为等效结点荷载，即 式中，［Ｂ］为单元几何矩阵；
负号表示由于浸水变形转化的等效结点荷 载实际上不存在，故需从单元结点荷载中予以扣除。
由等效结点荷载｛Ｆ｝，即可求得土体由于浸水变形所引起的附加位移及 附加应变。
为简化计算，可将｛Ｆ｝和水压力或渗透压力、浮托力等所转化的结点荷 载叠加在一起进行计算。
３应力―应变本构模型 目前，非线性弹性的邓肯Ｅ―Ｂ模型是土石坝应力变形计算中最常用的模 型［３］。该模型的基本原理如下摘要：
材料的切线模量 ４应用实例 某水库大坝坝型为砂砾石坝壳粘土心墙坝，最大坝高１２７．５ｍ，坝顶 长４４０ｍ。上游坝坡１∶２．２，下游坝坡１∶１．８。心墙两侧设反滤层， 上游侧宽３ｍ，下游侧宽５ｍ。大坝心墙土料自１９９９年１０月开始填筑，２ ００１年底大坝竣工、水库开始蓄水。
基于上述的邓肯Ｅ－Ｂ本构模型及浸水变形的增量有限元方法，笔者编制 了相应的二维有限元计算程序，用此程序对该水库初次蓄水时的大坝变形进行了 有限元计算。计算取用的断面为大坝设计桩号为０＋２２６ｍ的最大断面。计算 中模拟逐级加载过程，共采用１７个荷载级，其中施工阶段坝体填筑分１１级， 水库初次蓄水从现有的几个观测水位直到正常高水位５９４．０ｍ，共分６级。
计算所用的坝体材料模型参数见表１所列。
心墙在竣工期及和各蓄水位相应的最大竖向变位的计算结果见表２，此表 中还同时列出相应的部分竖向变位观测成果，以资对照。从图１、图２及表２可以看出，随着水库蓄水水位的逐渐升高，土体颗粒 受到水的润滑进而产生越来越大的浸水变形，从而使心墙产生越来越大的竖向变 位；
同时可以看出，计算得到的竖向变位和实测结果较为接近，且二者的变化趋 向基本一致。根据位移计算结果，计算得到的竖向位移均是铅直向下的，这说明 浸水变形所引起的下沉功能总大于浮托力所引起的上抬功能。从图３、图４及其 它蓄水位时的水平位移计算结果可以看出， 上游坝壳土体的水平位移受浸水变形的功能较为明显，在竣工期及较低蓄 水位时，由于无水平推力或水平推力尚小，致使上游坝壳部分单元产生向上游的 位移，但随着蓄水位升高，几乎全部上游坝壳的单元水平位移又变为向下游的位 移。
５结语 本文基于土坝浸水变形分析的增量有限元法，并结合邓肯Ｅ―Ｂ模型，编 制了相应的土坝应力及变形有限元计算程序。应用实例的计算结果表明，所采用 的增量有限元分析方法是合理的，所得计算结果也是接近实际的。显然，本文有 关土坝浸水变形的探究思路和分析方法，对类似工程新问题的探究具有重要的参 考价值。
