積石峽面板堆石壩應(yīng)力變形分析

洪 鏑，劉 超，張 嘎

（1.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海 西寧 810000；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

積石峽水電站面板堆石壩壩高103 m，主要由面板、墊層料、過渡料、主堆石和次堆石等構(gòu)成，壩體分層均勻填筑至設(shè)計高程，填筑量約296萬m3。其中，堆石料主要采用了開挖料，巖性構(gòu)成較為復(fù)雜，后期變形可能較大。壩體施工結(jié)束后再進行面板施工。壩體竣工以后蓄水至設(shè)計水位。因此，需要對該面板堆石壩的應(yīng)力變形特性開展深入研究。本文采用三維有限元計算方法，基于積石峽面板堆石壩填筑過程中的沉降觀測資料進行反分析，得到了大壩堆石料的模型參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對大壩的應(yīng)力變形特性進行了計算分析。

1 計算模型和參數(shù)

基于開挖料筑壩設(shè)計剖面圖和大壩地形條件，對面板堆石壩進行了三維有限元網(wǎng)格剖分。采用清華大學(xué)彈塑性損傷接觸面模型模擬壩體與基巖之間的接觸面；采用擠壓墻等效數(shù)值模型模擬大壩的擠壓墻[1]；接觸面模型參數(shù)均通過大型接觸面試驗加以確定?；炷撩姘宀捎镁€彈性模型，彈性模量為20 000 MPa，泊松比為0.167。墊層料、過渡料和堆石料采用清華大學(xué)混合料加載模型模擬[2]，并分別采用改進濕化模型[3]和沈珠江三參數(shù)流變模型[4]描述堆石料的濕化和流變特性。墊層料和過渡料的模型參數(shù)根據(jù)室內(nèi)大型試驗確定。

2 參數(shù)反分析

堆石料的模型參數(shù)是在室內(nèi)試驗基礎(chǔ)上，采用三維有限元計算模擬實際的填筑過程和蓄水過程，依據(jù)壩體在填筑過程中的變形監(jiān)測結(jié)果反分析得出的。在參數(shù)反分析中，采用了如下變形分解并分別確定相關(guān)模型參數(shù)的思路：

（1）壩體填筑到1 857 m高程后至蓄水前沒有進行壩體填筑，面板的澆筑近似認(rèn)為對壩體變形影響很小。因此，壩體發(fā)生的變形增量主要是流變變形。利用該段時間的變形反演得到堆石料的流變模型參數(shù)。

（2）根據(jù)施工期壩體變形監(jiān)測值和計算得到的施工期流變值反分析，得到加載模型參數(shù)。

（3）根據(jù)2009年9月中旬由于蓄水預(yù)沉降措施引起的壩體變形，反演得到濕化模型參數(shù)。

作為反演結(jié)果的示例，圖1給出了電磁式沉降儀ES4部分監(jiān)測點在壩體填筑過程中和填筑到1 857 m高程后的沉降監(jiān)測值和計算值的對比時程曲線。其中，曲線是反演分析計算結(jié)果，散點是電磁式沉降儀實際監(jiān)測值。從圖1可以看出，沉降計算值與監(jiān)測值整體上符合較好。

圖1 ES4沉降管累計沉降量對比時程

圖2進一步給出了在不同的填筑高程時期，電磁式沉降儀ES4的沉降監(jiān)測值和計算值沿壩體高程的分布曲線。圖中曲線是計算值，散點是沉降儀監(jiān)測值。從圖2可以看出，沉降計算值與監(jiān)測值整體規(guī)律符合較好，基本上都呈壩體上下部沉降小、中部沉降大的規(guī)律。壩體在填筑到1 857.8 m高程前，主要發(fā)生加載變形，壩體沉降不斷增大；填筑到1 857.8 m高程后，壩體繼續(xù)沉降，此階段主要發(fā)生流變。在2009年9月10日之后的一段時間內(nèi)，壩體在蓄水預(yù)沉降措施下發(fā)生濕化變形，之后繼續(xù)發(fā)生流變變形并最終達(dá)到穩(wěn)定。因此，本文使用的模型和參數(shù)反分析結(jié)果是有效的。

圖2 不同填筑高程下電磁式沉降管ES4沉降分布結(jié)果對比

3 大壩應(yīng)力變形分析

圖3～6給出了蓄水完成后壩體和面板的應(yīng)力變形等值線圖。由圖3～6可以看出，壩體的沉降最大值發(fā)生在中部，壩體內(nèi)的應(yīng)力水平總體較??；壩軸線上游部分壩體向上游方向發(fā)生水平位移，且越靠近壩體表面位移越大；壩軸線下游部分壩體向下游方向發(fā)生水平位移，同樣，越靠近下游壩表面其位移也越大。面板的撓度從壩底到壩頂逐漸增加，面板的順坡向應(yīng)力在上部和下部分別表現(xiàn)為壓和拉。面板水平向壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在中部，而靠近兩側(cè)岸坡的面板處出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力。

圖3 蓄水完成時標(biāo)準(zhǔn)橫斷面位移等值線（單位：m）

圖4 蓄水完成時標(biāo)準(zhǔn)橫斷面應(yīng)力水平等值線（單位：MPa）

圖5 蓄水完成時面板撓度等值線（單位：m）

圖7～10分別給出了蓄水500 d后計算得到的壩體和面板的應(yīng)力變形等值線圖。與蓄水剛完成后相比，壩體的變形分布變化不大，但數(shù)值有所增大；面板的撓度明顯增加，應(yīng)力有所增大。這表明流變引起壩體變形增大，但對其分布影響不大；流變導(dǎo)致面板的撓度明顯增加，應(yīng)力有所增大。

4 結(jié)論

圖6 蓄水完成時面板應(yīng)力等值線（單位：MPa）

圖7 蓄水500 d標(biāo)準(zhǔn)橫斷面位移等值線（單位：m）

圖8 蓄水500 d標(biāo)準(zhǔn)橫斷面應(yīng)力水平等值線（單位：MPa）

圖9 蓄水500 d面板撓度等值線（單位：m）

本文采用三維有限元計算方法，基于填筑過程的沉降觀測資料進行反分析，得到大壩各類材料的模型參數(shù)；在此基礎(chǔ)上對積石峽水電站面板堆石壩蓄水期的應(yīng)力變形特性進行了預(yù)測計算分析，得出的主要結(jié)論如下：

（1）反分析中監(jiān)測值和計算值變化過程符合較好，說明計算模型及所得參數(shù)的有效性。

圖10 蓄水500 d面板應(yīng)力等值線（單位：MPa）

（2）蓄水完成后，壩體的沉降最大值發(fā)生在中部，壩體內(nèi)的應(yīng)力水平總體較小。面板的撓度從壩底到壩頂逐漸增加，面板的順坡向應(yīng)力在上部和下部分別表現(xiàn)為壓和拉。面板水平向壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在中部，而靠近兩側(cè)岸坡的面板處出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力。

（3）流變引起壩體變形增大，但對其分布影響不大。流變導(dǎo)致面板的撓度明顯增加，應(yīng)力有所增大。

［1］張建民，張嘎，劉芳.面板堆石壩擠壓式邊墻的概化數(shù)值模型及應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，2005，27（3）:249-253.

［2］Zhang Ga,Zhang Jianmin,Yu Yilin.Modeling of gravelly soil with multiple lithologic components and its application ［J］.Soils and Foundations,2007,47（4）:799-810.

［3］王富強，鄭瑞華，張嘎，等.積石峽面板堆石壩濕化變形分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2009，28（2）:56-60.

［4］沈珠江.土石料的流變模型及其應(yīng)用析［J］.水利水運科學(xué)研究,1994（4）:335-342.