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6 大坝沉降分析

堆石坝的变形分为竖直方向的变位（沉降），上、下游坝面的水平变位和沿坝轴线方向的变位等。由于堆石坝由多种材料组成，在自重及水压作用下，竖直位移比混凝土坝大得多，过大的变位对坝体的安全有重的影响。

沉降是指在自重应力及水压作用下，沿竖直方向发生的位移。对堆石坝而言，其沉降主是由堆石料的压缩变形产生的。堆石料的压缩变形，初期主是颗粒的位移与结构调整、并伴有少量的颗粒棱角破碎，这是主压缩阶段；其后，随着颗粒破碎的增加，将进入次压缩阶段，堆石料的次压缩变形，在形式上与粘土类似，处于压缩较快的主压缩阶段之后；而蠕变变形的产生，可能主是颗粒破碎引起的颗粒排列进一步的调整。

由大量的观测资料表明，堆石坝在施工过程中，随着填筑石料的增加而产生的压缩变形占相当大的比例，竣工蓄水后，随着蓄水位的周期循环，其变形有逐渐收敛的趋势。

6.1 影响坝体沉降的因素

沉降在堆石坝的发展过程中一直是被人们高度重视的问题。从某种意义上来说，现代混凝土面板堆石坝的发展，是建立在堆石料的变形控制上的，以最大限度地减小堆石体的变形，保证面板与其接缝止水防渗的可靠性。 堆石体变形量的大小主受下列因素的影响： (1)材料的物理力学性质及粒径级配

当堆石料质地坚硬、软化系数小，能承受较大的由堆石体自重所产生的压应力，不仅可以减少堆石体在施工期内的沉降，同时也可以减少水库蓄水后及堆石体材料的蠕变软化所产生的变形。

摘用线弹性有限元方法，对天生桥一级电站混凝土面板堆石坝进行了位移场分析，并对大坝位移场分布规律及特

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堆石料粒径级配良好与否，对碾压密实度的影响很大，从而对变形的影响也很大。使用粒径级配良好的石料，碾压后密实度和变形模量较大，可相应减小施工期和运行期的位移。

(2)填筑、碾压方法及碾压密实度

对堆石料所采取的碾压方法不同，坝体密实度差异较大。用振动碾压新工艺的堆石坝密实得多，变形也自然小得多。 (3)坝体高度

堆石体在一定的上下游坡度、材料级配和碾压密实度情况下，坝高愈大，水压和自重力愈大，引起的堆石体变形也愈大。根据已建坝的沉降变形观测资料，统计分析得堆石体沉陷变形量S与坝高H之间具有下列经验关系式：

S=βH3/2

(4)

式中：β—经验系数（蓄水开始时β=1×10-4m2/3，运行10年后β=3×10-4m2/3）. 6.2 大坝的沉降分析

大坝典型单元（节点）变位量如图2所示。

图2 坝体变位示意图

从位移图2可看出，中轴线左面垂直沉降量比右面大，这是由于上游坝体材料性质所决定的。

中轴线左面是ⅢA、ⅢB料填筑，ⅢA料的压缩模量E=74.0MPa，ⅢB料的压缩模量E=65.00MPa，均小于ⅢC料和ⅢD料的压缩模量105.0MPa和98.3MPa. 由经验公式：

S∝H2/E (5)

可看出，压缩模量E与沉降量S成反比，而与坝体高度H的平方成正比。即压缩模量越小，沉降量越大。上游坝坡受到水压力的作用，也是导致上游坝体沉降量比下游坝体相对较大的一个重因素。 根据经验公式（4）可以得出以下结论：

坝体的沉降量随高度增加而增大。从图2可看出，沿坝中轴线向上，沉降量逐渐增大。从有限元计算成果表2可看出：符合沉降量随坝体的高度增加而增大的规律。

由于坝体上游坝坡受静水荷载作用，而坝基是固定的，从表2中可得到中轴线节点的水平位移及坝体的水平位移从上至下呈递减趋势。

坝体下游坝址为位移约束边界，填筑方量较少，又不受外载荷的作用，所以位移接近于零，即基本不发生变形。 7 结 论

综上所述，可以得出以下结论：

(1)对堆石坝的沉降量进行“定量”分析，可以指导大坝观测点的设置位置，即在大坝位移较大的部位布置观测点。

(2)由于有限元分析能得出“定量”结果，给出了位移的具体数值。天生桥一级电站大坝坝顶垂直位移在2m左右，中部在1m左右，均小于大坝设计沉降量，说明大坝施工质量良好。

(3)通过对中轴线上节点水平位移分析，坝体中轴线产生向下游的弯曲变形。 (4)对大坝沉降量的分析，所得出的结果与现场观测资料基本一致,说明力学模型的建立是合理的。

参考文献：

［1］ 汝乃华，牛运光.大坝事故与安全、土石坝［M］.北京：中国水利水电出版社，2001.

［2］ 蒋国澄，等.混凝土面板坝工程［M］.武汉：湖北科学技术出版社，1997. ［3］ 张德兴.有限元素法新编教程［M］.上海：同济大学出版社，1989. ［4］ 肖彦律.天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝施工［J］.水利水电技术，1997,(12):11-13.

［5］ 于贵.天生桥一级水电站大坝填筑施工质量控制［J］.水利水电技术，1997,(12):31-34.

The Stability Analysis of Dam Construction in TSQ-IHydropower

Station Reinforced Concrete Facing Dam

Abstract:Using the method of linearity and elasticity finite element，this paper has analyzed the displacement field of dam

construction in TSQ-I hydropower station reinforced concrete facing dam. It has also discussed distributing rule and characteristic of the displacement field of dam. In the course of dam circulating, its conclusion can be used as the reference of observation point set. Key words:TSQ hydropower station; reinforced concrete facing dam; finite element method; displacement field; stability