工程实例分析：解析一个项目的实战经验

大伙房水库位于辽宁省抚顺市以东17km 处，是浑河中游修建的一座以防洪、灌溉、工业及城市生活供水为主，发电和养鱼为辅的大型水利枢纽工程。水库总库容22 亿m3。拦河大坝为黏土心墙砂壳坝。砂砾石的不均匀系数较小，属于易液化砂。主坝全长1367m，最大坝高49.2m，坝顶宽8m。上游三级边坡自上而下分别为1 ∶3，1 ∶3.5 和1∶4.5。下游设四级边坡，自上而下分别为1∶2.75，1∶3，1∶3，排水体边坡为1：2。上游坡设2 级马道，下游坡设3 级马道。大坝剖面图如图7.29 所示。有限元计算网格图如图7.30 所示。

图7.29　大伙房大坝剖面图

图7.30　有限元计算网格图

坝料物理力学指标见表7.12。

表7.12　坝料物理力学指标

非线性有限元静力计算时坝料的切线模量采用Duncan模型，切线泊松比采用Daniel模型，即

非线性有限元动力计算时坝料的动力本构模型采用Hardin Drnevich模型，即

式中 γr——参考剪应变，由动力剪切试验确定；

τmax——最大剪应力；

Gmax——最大剪切模量；

λmax——最大阻尼比。

根据振动三轴试验结果，最大动剪切模量Gmax可表示为

式中 σ′m——平均有效正应力；

pa——大气压力；

K1，n1——试验参数。

这里，Gmax、σ′m和pa需采用同一量纲。

坝料的非线性有限元静力计算参数根据工程设计和施工质量的具体情况，参考以往工程设计经验拟定。有限元动力计算参数是根据河海大学《大伙房水库土坝砂土坝料动力特性试验报告》选定的。坝料静动力有限元计算参数见表7.13。

表7.13　坝料静动力有限元计算参数

地震反应计算时考虑正常蓄水位和Ⅷ度地震组合。地震加速度过程线由1975 年辽宁海城余震加速度记录移置而成，如图7.31 所示。最大加速度幅值为200cm/s2，强震持续时间为15s。

图7.31　地震加速度过程线

（a）水平向；（b）竖向

(www.xing528.com)

图7.32　坝基砂层的关系曲线

大坝（含坝基）在地震过程中的动力变化特性、动强度及振动孔隙水压力变化等均与地震前的初始应力状态有关，因此进行动力分析之前必须进行静力计算。采用中点增量法对静力平衡方程进行求解，得到大坝的静力变形和静应力分布情况，如图7.34 和图7.35所示。

图7.33　坝壳砂砾料的关系曲线

图7.34　蓄水期大坝静力变形等值线 （单位：cm）

（a）水平位移 （向下游为＋）；（b）沉降 （向下为—）

图7.35　蓄水期大坝静力主应力等值线 （单位：MPa）

（a）大主应力；（b）小主应力

图7.36 和图7.37 分别给出了坝顶193 号结点 （位置见图7.30）动位移反应过程线和加速度反应过程线。

图7.36　典型结点动位移反应过程线

（a）水平向；（b）竖向

图7.37　典型结点加速度反应过程线

（a）水平向；（b）竖向

图7.38 给出了上游坝壳中下部靠近心墙附近的115 号单元 （位置见图7.30）动应力反应过程线。

大伙房水库土坝为心墙砂壳坝，心墙土料渗透系数非常小，因此下游坝壳不存在液化问题，只有上游坝壳及坝基砂砾层存在可能液化问题。图7.39 给出了Ⅷ度地震下大坝液化度等值线。由图可见，大坝的最大液化度仅0.6，说明在Ⅷ度地震作用下，上游砂砾料坝壳及坝基砂层均不会发生液化，即不会发生喷砂冒水现象。

图7.38　典型单元动应力反应过程线

图7.39　大坝液化度等值线

对上游坝坡进行抗震稳定分析，计算得到的安全系数过程线如图7.40 所示。由图可见，上游坝坡在地震历时6s时的抗震稳定安全系数达到最小值1.078。对比图7.31 的地震加速度过程线，此时刻也是地震加速度最大的时刻。总体看来，上游坝坡在Ⅷ度地震下能够保持稳定。

图7.40　上游坝坡抗震稳定安全系数过程线