覆蓋層對察汗烏蘇面板堆石壩應(yīng)力變形影響數(shù)值分析

王妮妮

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局寶雞總站陜西寶雞721001）

覆蓋層對察汗烏蘇面板堆石壩應(yīng)力變形影響數(shù)值分析

王妮妮

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局寶雞總站陜西寶雞721001）

本文針對察汗烏蘇面板堆石壩工程，采用有限元方法，分析了建于覆蓋層上面板堆石壩的應(yīng)力變形特性，探討了覆蓋層對面板堆石壩應(yīng)力變形的影響以及覆蓋層上修建面板堆石壩的可行性。本文研究可為相似工程的建設(shè)提供參考。

面板堆石壩；覆蓋層；應(yīng)力變形；數(shù)值分析

1 引言

隨著水利工程的發(fā)展，眾多地理?xiàng)l件優(yōu)越的壩址已經(jīng)開發(fā)完成。目前大壩建設(shè)中面臨的壩基條件越來越復(fù)雜，其中覆蓋層就是一種典型的地質(zhì)條件[1,2]。目前適合建于覆蓋層上的壩型主要就是土石壩，而其中面板堆石壩由于具有眾多優(yōu)點(diǎn)，成為建于覆蓋層上最主要的壩型。建于深厚覆蓋層上的面板堆石壩往往直接將趾板建在覆蓋層上，由于覆蓋層的力學(xué)特點(diǎn)，在壩體填筑過程中將會產(chǎn)生較大的壓縮變形，因此覆蓋層較大的壓縮變形必將進(jìn)一步對建于其上的面板壩產(chǎn)生重要影響[3,4]。本文結(jié)合采用數(shù)值計(jì)算的方法對覆蓋層對建于其上的面板堆石壩的應(yīng)力變形特性的影響進(jìn)行分析。

2 工程概況

察汗烏蘇面板堆石壩建于覆蓋層上的混凝土面板堆石壩壩頂長度為348.20m，壩頂寬度為10.0m，最大壩高111m，上游坡1:1.4，下游局部坡度1:1.35和1:1.4，下游綜合坡比1:1.55，壩頂設(shè)有高度為5.2m的“L”型防浪墻與面板相接，壩頂高程805.0m。壩體從上游到下游依次為面板、上游鋪蓋及蓋重區(qū)、混凝土面板、混凝土趾板、混凝土防滲墻、混凝土連接板、墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)及下游次堆石區(qū)。壩體填筑總量約377萬m3。

表1 鄧肯張模型計(jì)算參數(shù)

表2 應(yīng)力變形對比統(tǒng)計(jì)表

圖1 二維計(jì)算模型

圖2 運(yùn)行期沉降分布（單位：m）

壩基附近平水期河水位高程702m時，水面寬約40m，水深1m～3m，當(dāng)正常蓄水位800m時，谷寬約329m。河床覆蓋層厚度44m～48m，其中表部水庫淤積層厚約2m～4m，上部含碎石塊石砂卵礫石層厚6m～20m，中部砂卵礫石層厚12m～15m，是河床覆蓋層的主體層；底部含塊碎石的砂卵礫石層厚5m～10m。

3 數(shù)值計(jì)算模型

3.1 本構(gòu)模型和計(jì)算工具

為了分析建于覆蓋層上察汗烏蘇面板堆石壩的應(yīng)力變形特性，分析覆蓋層地基對大壩的影響，本文采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。對于面板堆石壩本構(gòu)模型的選取，目前工程界廣泛采用鄧肯張E-B模型進(jìn)行面板堆石壩應(yīng)力變形特性的數(shù)值模擬。根據(jù)多個實(shí)際工程的計(jì)算和實(shí)測資料的對比分析，E-B模型可以獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，目前該模型已經(jīng)積累了豐富的實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。本文將采用E-B模型模擬察汗烏蘇面板堆石壩壩體料和地基覆蓋層材料的應(yīng)力變形特性?；炷撩姘濉⒅喊搴头罎B墻基本上均在線彈性階段工作，因此本文采用線彈性模型模擬面板堆石壩中的混凝土結(jié)構(gòu)即面板、趾板和防滲墻等。防滲結(jié)構(gòu)和壩體之間存在顯著的接觸行為，文章采用接觸摩擦算法進(jìn)行模擬。為了獲得大壩的應(yīng)力變形特性對堆石料進(jìn)行了大型三軸試驗(yàn)獲得相關(guān)的力學(xué)參數(shù)，因此本文模型參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和類比其它相似工程參數(shù)選取。本文采用ADINA軟件來實(shí)現(xiàn)深厚覆蓋層上面板堆石壩應(yīng)力變形的數(shù)值計(jì)算。

3.2 計(jì)算模型和參數(shù)

由于察汗烏蘇面板堆石壩河谷地形相對較為寬敞，選取大壩最大斷面進(jìn)行二維數(shù)值分析，進(jìn)而研究大壩的應(yīng)力變形特性。取該壩的典型斷面進(jìn)行數(shù)值分析，堆石料、墊層料、過濾層以及覆蓋層材料采用鄧肯張E-B模型模擬，各防滲結(jié)構(gòu)采用線彈性模型進(jìn)行模擬。詳細(xì)模擬面板和墊層以及防滲墻和覆蓋層之間的接觸特性。鄧肯張模型的參數(shù)取值根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)合相似工程確定，參數(shù)如表1所示?；炷撩姘?、趾板彈性模量E=28GPa，泊松比ν=0.167；混凝土防滲墻彈性模量E=26 GPa，泊松比ν=0.167；混凝土密度均取為2.45g/cm3。

計(jì)算模型范圍向下取至基巖面，上下游分別向上下游方向取1倍的壩高。計(jì)算模型底部施加固定約束，上下游兩側(cè)施加相應(yīng)的法向約束。采用四節(jié)點(diǎn)單元剖分網(wǎng)格，計(jì)算真實(shí)模擬大壩的施工和蓄水過程，實(shí)際模擬大壩的每層填筑厚度為5m。大壩的有限元計(jì)算模型如圖1所示。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 大壩變形結(jié)果分析

察汗烏蘇面板壩蓄水期覆蓋層上大壩沉降分布云圖如圖2所示。由變形結(jié)果可知，采用該數(shù)值模型計(jì)算所得大壩整體應(yīng)力變形和防滲系統(tǒng)相對變形的分布整體比較合理，基本符合實(shí)際大壩和防滲結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的應(yīng)力變形性狀。由于覆蓋層的存在，大壩的最大沉降和水平位移均發(fā)生在靠近大壩的底部部位，計(jì)算所得大壩的最大沉降大約為0.83m左右，發(fā)生在大壩底部靠近覆蓋層的部位，小于1%的大壩高度，即小于察汗烏蘇大壩沉降變形允許值。施工期大壩向上游的最大位移為0.26m，向下游最大位移為0.25m，水平位移的最大位置均發(fā)生在靠近覆蓋層的位置。蓄水期壩體總體向下游移動，壩體上游側(cè)只產(chǎn)生0.10m的向上游的水平位移，而大壩下游側(cè)產(chǎn)生0.34m的向下游的水平位移，在水壓力作用下，大壩的水平位移增量較為明顯。計(jì)算得察汗烏蘇大壩水平位移較小，基本可以接受。本文也對大壩建于基巖上時大壩的應(yīng)力變形進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算表明，建于基巖上的大壩最大沉降發(fā)生在壩體一半壩高處左右，最大值只有0.65m，同時壩體也分別產(chǎn)生向上游和向下游的水平位移，但是最大水平位移值均較小，明顯小于建于覆蓋層上的面板堆石壩，其中施工期向上游側(cè)和向下游側(cè)的最大水平位移分別只有0.12m和0.14m，相對建于覆蓋層上的大壩分別減小了0.13m和0.11m，由上述分析可知覆蓋層對建于其上的面板堆石壩的變形會產(chǎn)生的影響顯著，其對大壩變形的影響主要表現(xiàn)在兩個方面，第一大壩的變形趨勢基本相同，但是大壩最大變形的位置發(fā)生變化，在覆蓋層作用下大壩的沉降變形具有總體向下移動的趨勢，同時水平位移具有向下和上下游移動的趨勢。第二覆蓋層的作用使壩體的變形增加，這主要是由于覆蓋層層產(chǎn)生較大壓縮變形所引起的。雖然覆蓋層對大壩變形具有上述影響，但是對于建于覆蓋層上的大壩其變形仍然在合理范圍之內(nèi)，說明建于覆蓋層上的察汗烏蘇面板堆石壩是安全的可靠的，大壩表現(xiàn)良好。4.2大壩應(yīng)力結(jié)果分析

對建于覆蓋層上和基巖上的面板堆石施工期應(yīng)力變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，察汗烏蘇大最大和最小主應(yīng)力均發(fā)生生在覆蓋層底部，這主要是因?yàn)?，覆蓋層在上部壩體填筑時受到進(jìn)一步的壓縮所導(dǎo)致，由結(jié)果可知，覆蓋層上面板堆石壩最大主應(yīng)力為3.0MPa，而基巖上大壩只有2.5MPa，說明覆蓋層對大壩應(yīng)力的分布也會產(chǎn)生較大的影響，它會引起壩基大主應(yīng)力值增加，另外計(jì)算所得覆蓋層上大壩小主應(yīng)力最大值為1.5MPa分布在覆蓋層的底部，而基巖上面板堆石壩的最小主應(yīng)力最大值為1.2MPa，分布在壩體底部，說明覆蓋層對大壩的應(yīng)力分布和具體應(yīng)力值的大小均產(chǎn)生了一定影響。計(jì)算所得大壩最小主應(yīng)力的分布具有與大主應(yīng)力分布基本相同的規(guī)律。雖然大壩產(chǎn)生較大的應(yīng)力，但是應(yīng)力水平較低均小于1，表明察汗烏蘇大壩應(yīng)力狀態(tài)安全穩(wěn)定。

對覆蓋層上各防滲結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形特性也進(jìn)行了分析。計(jì)算所得面板最大拉壓應(yīng)力分別分布在面板的下游側(cè)底部兩側(cè)部位，最大拉應(yīng)力值大約為1.62MPa，察汗烏蘇大壩面板尚未產(chǎn)生貫穿性裂縫，同時，在覆蓋層和壩體較大變形的影響下，面板最大撓度發(fā)生位置呈現(xiàn)下移的趨勢，最大值為12cm。另外，壩基趾板和連接板以及防滲墻均主要承受壓應(yīng)力，只在上述結(jié)構(gòu)的兩側(cè)部位由于受到較強(qiáng)的約束作用而承受一定的拉應(yīng)力，但是均不會破壞現(xiàn)有的防滲結(jié)構(gòu)。各防滲結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生總體向下變形的趨勢，說明覆蓋層對其上壩體和防滲結(jié)構(gòu)均有較大的影響，但是大壩的防滲結(jié)構(gòu)表現(xiàn)良好。

5 結(jié)論

本文結(jié)合察汗烏蘇面板堆石壩工程對建于覆蓋層上的面板堆石壩的應(yīng)力變形特性進(jìn)行分析。通過采用有限元方法并且對比分析覆蓋層上和基巖上面板堆石壩應(yīng)力變形特性的異同，分析覆蓋層對建于其上面板堆石壩應(yīng)力變形的影響。計(jì)算結(jié)果表明，察汗烏蘇面板堆石壩表現(xiàn)良好，覆蓋層對建于其上的面板堆石壩和防滲系統(tǒng)的應(yīng)力變形特性均會產(chǎn)生較大的影響，使壩體的應(yīng)力和變形值均增大，同時也使防滲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，但是數(shù)值結(jié)果表明，建于覆蓋層上的面板堆石壩仍然可以正常運(yùn)行，覆蓋層上是可以修建面板堆石壩的。

覆蓋層對其上面板堆石壩應(yīng)力的影響類似于對大壩變形的影響規(guī)律。同時，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表明，雖然覆蓋層上面板堆石壩應(yīng)力的分布相對于基巖上面板堆石壩有所變化，但是大壩的最大應(yīng)力值仍然是在合理的范圍之內(nèi)，說明在實(shí)際工程中，對建于覆蓋層上的面板堆石壩，只要采用合理的控制壩體變形各應(yīng)力的措施，是可以成功地修建面板堆石壩的。陜西水利

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（責(zé)任編輯：暢妮）

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