張峰水庫大壩壩體應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)反演計(jì)算

賈慧鵬（山西張峰水庫建設(shè)管理局，山西晉城　048215）

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張峰水庫大壩壩體應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)反演計(jì)算

賈慧鵬
（山西張峰水庫建設(shè)管理局，山西晉城048215）

【摘 要】本文首先對(duì)張峰水庫大壩原型沉降觀測資料進(jìn)行進(jìn)一步分析，按照與數(shù)值計(jì)算進(jìn)行對(duì)比的思路進(jìn)行重新整理；然后建立數(shù)值計(jì)算模型，采用初始參數(shù)進(jìn)行壩體各分級(jí)情況下變形場計(jì)算；再將計(jì)算結(jié)果與原型觀測資料進(jìn)行對(duì)比，不符合時(shí)采用優(yōu)化方法調(diào)整參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果與原型觀測資料基本相符為止。

【關(guān)鍵詞】張峰水庫；大壩壩體；應(yīng)力應(yīng)變；參數(shù)反演

1 概 述

張峰水庫大壩壩型為黏土斜心墻堆石壩，壩頂高程763.8m，壩頂長627m，壩頂寬10.0m，最大壩高72.2m，上游壩坡1∶1.75，下游壩坡1∶1.5；黏土防滲體頂部高程762.8m，頂寬4.0m，高程752.5m以上采用直心墻型式，以下為斜心墻，心墻上游邊坡1∶0.75，下游邊坡1∶0.25；上游堆石料與心墻之間設(shè)置一層反濾層和一層過渡層，心墻下游與堆石料之間設(shè)置兩層反濾層和一層過渡層。

變形和應(yīng)力場反演分析目的：用數(shù)值分析的方法，以原型監(jiān)測資料為標(biāo)準(zhǔn)，反演得出符合壩體實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算參數(shù)；以反演參數(shù)為基本參數(shù)值計(jì)算壩體在不同工況下的變形和應(yīng)力場；分析蓄水引起的壩體不均勻變形狀況，以及各部分變形發(fā)展規(guī)律，預(yù)測高水位下壩體變形發(fā)展；分析蓄水引起的壩體應(yīng)力變化，判斷心墻拱效應(yīng)的危害程度和發(fā)生水力劈裂的可能性，預(yù)測高水位下壩體的安全。

計(jì)算主要以0 + 250斷面為主進(jìn)行，該斷面壩高較高，存在壩基土卵石層，地層具有代表性，并設(shè)置有應(yīng)力和位移觀測設(shè)備，觀測數(shù)據(jù)較好，便于對(duì)比。沉降儀分布情況見圖1。

圖1　沉降儀分布情況（0 +250）

2 壩體應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)反演

以0 +250斷面施工期沉降與原型觀測資料符合為主要反演目標(biāo)。采用分層加載方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中將壩體按照高程劃分為15級(jí)，平均每級(jí)的高度在4～5m左右，為了充分反映各沉降儀沉降特性，方便與沉降觀測資料對(duì)比，在各沉降儀埋設(shè)高程設(shè)置填筑層。同時(shí)為了進(jìn)一步消除分層對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在每層加載重力時(shí)采用本層重力分為5級(jí)加載的方法進(jìn)行重力的施加，相當(dāng)于總分級(jí)為15×5 =75級(jí)，這樣可以充分消除施工分級(jí)誤差。計(jì)算采用有效應(yīng)力法進(jìn)行，計(jì)算原始參數(shù)見下表。

反演得到的變形和應(yīng)力計(jì)算參數(shù)表

續(xù)表

注 （）中數(shù)據(jù)為變形和應(yīng)力計(jì)算初始參數(shù)。

計(jì)算中考慮到壩基巖石彈性模量較高，其本身的壓縮變形很小，在壩基計(jì)算范圍各個(gè)邊界上均設(shè)置了固定支座約束。同時(shí)不考慮壩基自重應(yīng)力以及其引起的變形，來反映壩體填筑引起的附加應(yīng)力，更有利于理解。

反演的步驟為：先對(duì)原型沉降觀測資料進(jìn)行進(jìn)一步分析，按照與數(shù)值計(jì)算進(jìn)行對(duì)比的思路進(jìn)行重新整理；然后建立數(shù)值計(jì)算模型，采用初始參數(shù)進(jìn)行壩體各分級(jí)情況下變形場計(jì)算；再將計(jì)算結(jié)果與原型觀測資料進(jìn)行對(duì)比，不符合時(shí)采用優(yōu)化方法調(diào)整參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果與原型觀測資料基本相符為止，此時(shí)的計(jì)算參數(shù)就是壩體反演得到的基本符合壩體實(shí)際的參數(shù)。

需要說明的是，由于觀測資料受施工、觀測精度等多種因素的影響，數(shù)值計(jì)算與實(shí)際相比也存在本構(gòu)模型、受力狀態(tài)和邊界條件差別，兩者不可能完全吻合，此次計(jì)算中以最大沉降區(qū)域與最大量值相符為目標(biāo)，也就是只要最大沉降區(qū)域基本相符，最大沉降值基本一致，就結(jié)束反演。

下面分幾個(gè)方面描述反演過程與結(jié)果。

2.1 沉降觀測資料再分析

在0 +250斷面設(shè)置了兩條位移式沉降觀測垂線，其中一條垂線上設(shè)置6個(gè)沉降儀，用于觀測心墻由上到下的沉降；另外一條垂線上設(shè)置7個(gè)沉降儀，用于觀測下游過渡層和反濾層的沉降。同時(shí)在下游壩殼區(qū)域兩個(gè)高程上設(shè)置上下兩排水管式沉降儀，用于觀測下游壩殼沉降。整個(gè)施工期各個(gè)沉降觀測時(shí)程變化曲線見圖2。從中可以看出，2007年8月26日前心墻和反濾層沉降觀測資料較為可靠。

圖2　施工期沉降觀測值時(shí)程變化曲線

下游堆石體沉降采用水管式沉降儀觀測，其原理就是通過觀測隨土層一起沉降的液面高程來反映壩體沉降，其測定的就是該高程在儀器埋設(shè)完成后的絕對(duì)沉降，可以與數(shù)值計(jì)算進(jìn)行直接對(duì)比。而心墻和反濾層中設(shè)置的位移式沉降儀是通過觀測與土層一起沉降的沉降板與傳遞桿之間的相對(duì)變形，反映土體沉降。該工程傳遞桿下部埋設(shè)在基巖之中，可以認(rèn)為是不動(dòng)的，但是在725m高程處（2-4-1和2-4-2儀器埋設(shè)高程）鑒于傳遞桿較長將之截?cái)?，因此，?25m高程以下埋設(shè)的儀器（2-7-1、2-7-2、2-6-1、2-6-2、2-5-1、2-5-2）測定的沉降值為土層的絕對(duì)沉降，也就是相對(duì)于壩基的絕對(duì)沉降，而之上埋設(shè)的儀器（2-4-1、2-4-2、2-3-1、2-3-2、2-2-1、2-2-2、2-1-2）測定的沉降值需要累加2-5-1或者2-5-2所測沉降值才能得到其相對(duì)于基巖的絕對(duì)沉降。這樣折算后得到的壩體沉降觀測值時(shí)程變化曲線見圖3。圖中數(shù)據(jù)可以與數(shù)值計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。

圖3　折算后的壩體沉降觀測值時(shí)程變化曲線

從圖3可以看出，壩體心墻沉降隨填土高程的增高而增大，從高程分布上看，中部大上下小，符合一般規(guī)律，其最大沉降發(fā)生在725～735m高程之間，在2007年8月26日沉降最大值為37.22cm。反濾層和過渡層中沉降規(guī)律與心墻基本一致，其最大沉降也發(fā)生在695～705m高程之間，在2007年8月26日沉降最大值為19.09cm。

2.2 參數(shù)反演計(jì)算

用原始參數(shù)計(jì)算得到的壩體心墻和反濾層過渡層各沉降儀埋設(shè)點(diǎn)沉降時(shí)程變化曲線見圖4。將其與圖3進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算值明顯小于實(shí)際觀測值，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖4　計(jì)算得到的沉降儀埋設(shè)點(diǎn)沉降時(shí)程變化曲線

經(jīng)過采用優(yōu)化方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最后優(yōu)化得出的系列參數(shù)值，其值見上表。由這組參數(shù)計(jì)算得出的沉降時(shí)程變化曲線見圖5。從中看出，該計(jì)算結(jié)果與原型觀測數(shù)據(jù)在最大值與其分布上基本相符。

圖5　反演計(jì)算得到的沉降儀埋設(shè)點(diǎn)沉降時(shí)程變化曲線

為了更為清楚標(biāo)示計(jì)算與觀測資料的符合程度，將典型時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比畫于同一張圖中，見圖6。

圖6　計(jì)算與觀測典型沉降值對(duì)比

3 反演結(jié)果分析

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者在心墻與反濾層中部沉降結(jié)果相比較為符合，最大量值基本一致，而下部沉降相差較大。心墻底部695m高程處觀測得到的最大沉降為15cm左右，而計(jì)算得到的只有5cm。分析認(rèn)為該高程距離混凝土墊板只有2.61m，壓縮15cm，相當(dāng)于總高度的6%左右，可能偏大了。認(rèn)為該處的觀測資料不太可信，不作為對(duì)比依據(jù)。

另外，對(duì)比下游堆石體沉降值發(fā)現(xiàn)，計(jì)算得到的沉降值在上排位置處在5～20cm之間，與原型觀測基本一致；而計(jì)算得到的下排沉降值在5～15cm之間，原型觀測得到的值為15～30cm，兩者相差較大。鑒于原型觀測與數(shù)值計(jì)算不可能完全相符，只要心墻、反濾層和過渡層沉降基本相符即可反映壩體的主要方面，因此認(rèn)為反演參數(shù)基本合理。

同時(shí)對(duì)計(jì)算土壓力和實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算得到的心墻底部土壓力在800kPa左右，而觀測得到的值也基本在這個(gè)范圍內(nèi)，因此認(rèn)為兩者基本相符。

綜上認(rèn)為，反演得到的參數(shù)表符合壩體運(yùn)行實(shí)際，可以作為計(jì)算參數(shù)。

Inversion calculation of dam body stress-strain parameters in Zhangfeng Reservoir

JIA Huipeng
（Shanxi Zhangfeng Reservoir Construction Administration，Jincheng 048215，China）

Abstract：The dam prototype settlement observation data of Zhangfeng Reservoir is further analyzed firstly in the paper，which are rearranged according to the concept of comparing with numerical calculation；then，numerical calculation model is established，initial parameters are adopted for deformation field calculation under each stage conditions in the dam.The calculated results are compared with prototype observation data.Optimization method is adopted for adjusting parameters if they are not consistent until the calculated results are basically consistent with prototype observation data.

Key words：Zhangfeng Reservoir；dam body；stress-strain；parameter inversion

DOI：10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.03.013

中圖分類號(hào)：TV16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8241（2016）03-0053-05