河谷地形對面板混凝土堆石壩邊墻施工期擠壓形變規(guī)律的有限元分析研究

(上饒市科信水利水電勘察設(shè)計咨詢有限公司，江西 上饒 334000)

狹窄河谷筑建高面板堆石壩技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用和重視，但針對其應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律以及河谷地形的變化對擠壓邊墻位移的影響，研究尚不夠充分。本文結(jié)合案例工程，以有限元分析的方法，圍繞河谷寬度上的擠壓變化。坡岸緩急程度上的擠壓變化、河谷對稱性上的擠壓變化，對混凝土面板堆石壩邊墻施工期擠壓形變規(guī)律進行專題分析研究，以為施工應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考。

1 工程概況

大坳水庫位于信江支流石溪河，壩址在上饒縣上瀘鎮(zhèn)，1995年12月開工，1997年9月竣工。水庫集水面積390km2，多年平均徑流量4.45億m3，水庫總庫容2.757億m3，設(shè)計裝機容量4萬kW，實際裝機容量4萬kW，實際年發(fā)電量為9082萬kW·h。大坳水庫是一座以防洪為主，兼顧發(fā)電、灌溉的大(2)型年調(diào)節(jié)水庫。

2 主要材料參數(shù)及計算模型

大坳水庫壩體為面板鋼筋混凝土堆石壩，壩頂高程524.30m，壩頂寬10m，壩頂軸線長465m，最大壩高158.30m，趾板建基面高程366.00m，上部面板鋼筋混凝土厚30cm，底部厚84cm，壩體分主、次堆石區(qū)，壩面上游坡度1∶1.4，下游坡度1∶1.44。高程485.00m以上實施了單排固結(jié)灌漿，以下實施了雙排固結(jié)灌漿。上游至下游的壩體材料分區(qū)依次為混凝土面板防滲區(qū)、層墊料區(qū)、過渡料區(qū)、主次堆石區(qū)。下游壩腳呈堆石反濾棱體，以干砌石護坡和壩后堆石棱體壓重。壩體材料E-B模型主要參數(shù)見表1。

表1 壩體材料E-B模型的主要參數(shù)

壩體材料分區(qū)具體見圖1。

圖1 壩體材料分區(qū)示意圖

本研究有限元分析計算方案見表2。

表2 有限元分析計算方案

續(xù)表

有限元模型及網(wǎng)格例圖見圖2。

圖2 方案1- 4的體模及網(wǎng)格例圖

3 有限元專題計算及分析

3.1 河谷寬度上的擠壓變化

3.1.1 順河向邊墻擠壓位移

按河谷不同底寬四種方案(1-1、1-2、1-3、1-4)進行有限元計算，得到的沿壩體高程的順河向邊墻擠壓位移分布見圖3。

圖3 沿壩體高程的順河向邊墻擠壓位移分布

圖3揭示，河谷寬度系數(shù)差異對施工期沿壩體高程的順河向邊墻擠壓位移分布的影響多集中于邊墻的中下區(qū)域，順河整體上游向邊墻擠壓位移，隨河谷寬度差異系數(shù)的增大而逐漸加大，幅度顯著。此項變化在472.00m高程以上則較小。河谷寬度系數(shù)越小，壩體受到壩基的約束就越大，邊墻擠壓形變就越小。

圖4 河谷寬度與最大順河向邊墻位移曲線關(guān)系

圖4揭示，上游向順河邊墻位移隨河谷寬度增大而逐漸加大。1.6～2.7范圍加大河谷寬度系數(shù)，順河向邊墻位移發(fā)生了近10倍的增大，顯示順河向邊墻位移受河谷寬度系數(shù)影響顯著。

3.1.2 垂向邊墻擠壓位移

基于不同河谷寬度系數(shù)的垂向邊墻最大擠壓位移見圖5。

圖5 基于不同河谷寬度系數(shù)的邊墻垂向最大擠壓位移曲線

圖5揭示，邊墻垂向最大擠壓位移與河谷寬度系數(shù)呈逐漸增大關(guān)系。系數(shù)低于1.8時，邊墻垂直位擠壓移值小，但其變化的梯度大；系數(shù)高于1.8時，邊墻垂直擠壓位移值大，但其變化的梯度小。1.6～1.8系數(shù)增大變化，邊墻垂直擠壓位移值有近1倍的增大，而1.8～2.7系數(shù)增大變化，邊墻垂直擠壓位移值變化則較小。

3.1.3 軸向邊墻擠壓位移

圖6為方案1-1的竣工期軸向邊墻擠壓位移分布圖，用同樣的方法，得到方案1-2、1-3、1-4的同期軸向邊墻擠壓位移分布圖。

圖6 方案1-1的竣工期軸向邊墻擠壓位移等值線(單位：m)

軸向邊墻擠壓位移分布揭示，四個方案下的軸向邊墻擠壓位移分布規(guī)律均呈兩岸向中部邊墻加大擠壓的趨勢，隨河谷寬度系數(shù)的提高，坡岸對邊墻位移的約束漸次減弱，軸向邊墻位移值漸次增大。四個方案中邊墻下部垂直擠壓位移的分布規(guī)律則存在差異，150m和300m河谷底寬，邊墻下部擠壓出現(xiàn)在自邊墻中部向兩岸移位的區(qū)域，不過其位移面積一般較小。300m、150m、75m和25m河谷底寬，對應(yīng)軸向邊墻擠壓位移分別為11cm、8cm、5.20cm和4.7cm，且都發(fā)生于2/3最大壩高的右岸附近。

3.2 坡岸緩急程度上的擠壓變化

3.2.1 順河向邊墻擠壓位移

不同坡岸緩急系數(shù)下順河向邊墻擠壓位移分布見圖7。圖7揭示，不同坡岸緩急系數(shù)下順河向邊墻擠壓位移的分布規(guī)律大同小異，緩急系數(shù)差異對中下部邊墻位移存在明顯影響，對邊墻下部及上部影響則漸次趨弱。邊墻上游順河向位移隨緩急系數(shù)的減小呈伴隨增大的趨勢，系數(shù)小于0.7時位移變化的梯度較小，系數(shù)大于0.7時位移變化的梯度較顯著。0.50～1.50的緩急系數(shù)提升，邊墻上部擠壓形變呈現(xiàn)約2cm的增大。

圖7 不同坡岸緩急系數(shù)下沿壩高順河向邊墻擠壓位移分布

不同緩急系數(shù)下上游順河向最大位移施工期擠壓邊墻變化曲線見圖8。

圖8 不同緩急系數(shù)下上游順河向最大位移施工期擠壓邊墻變化曲線

圖8揭示，上游順河向最大擠壓邊墻位移隨河谷邊坡緩急系數(shù)提高，呈漸次減小的趨勢。緩急系數(shù)高于1時，邊墻擠壓位移變化梯度相對較大，緩急系數(shù)低于1時，邊墻擠壓位移變化梯度相對平緩。但總體來講，0.50～1.50的坡度緩急系數(shù)增大，邊墻最大擠壓位移值發(fā)生5.20cm降低，顯示河谷緩急系數(shù)差異對施工期順河向邊墻擠壓位移的影響不大。

3.2.2 垂向邊墻擠壓位移

基于不同河谷邊坡緩急系數(shù)的施工期最大垂向邊墻擠壓位移見圖9。

圖9 基于不同河谷邊坡緩急系數(shù)的施工期最大垂向邊墻擠壓位移曲線

圖9揭示，垂向邊墻擠壓位移隨河谷邊坡緩急系數(shù)加大，呈降低趨勢。由0.50至1.50緩急系數(shù)變化，垂向邊墻最大擠壓位移降低近1/4，顯示垂向邊墻擠壓位移受緩急系數(shù)差異的影響較為明顯。

3.2.3 軸向邊墻擠壓位移

圖10為方案2-1的竣工期軸向邊墻擠壓位移分布圖，用同樣的方法，得到方案2-2、2-3、2-4的同期軸向邊墻擠壓位移分布圖。

圖10 方案2-1的竣工期軸向邊墻擠壓位移等值線(單位：m)

軸向邊墻擠壓位移分布揭示，四個方案下的軸向邊墻擠壓位移分布規(guī)律大同小異，均呈兩岸向中部擠壓邊墻的位移趨勢，軸向邊墻最大擠壓位移發(fā)生于2/3最大壩高的兩岸附近。1∶2、1∶1.5、1∶1和1∶0.5坡比，對應(yīng)的軸向邊墻擠壓位移值分別為5.90cm、6.10cm、6.30cm和5.7cm，其中1∶1時的軸向位移為最大，1∶2和1∶1.5時軸向邊墻擠壓位移值較小，1∶0.5時同期位移值為最小。

3.3 河谷對稱性上的擠壓變化

3.3.1 順河向邊墻擠壓位移

基于河谷對稱性上的順河向邊墻擠壓位移分布見圖11。

圖11 基于河谷非對稱性的順河向邊墻擠壓位移分布

圖11揭示，施工期順河向邊墻擠壓位移受到河谷非對稱系數(shù)變化的影響，多集中于382.00～455.00m高程區(qū)間，順河向邊墻上游擠壓位移隨非對稱系數(shù)減小而減小。邊墻上部形變收縮隨對稱系數(shù)降低而呈伴隨增大的趨勢，只不過變化幅度較小。

基于河谷非對稱系數(shù)施工期順河向邊墻擠壓位移曲線見圖12。

圖12揭示，邊墻上游順河向最大位移隨河谷的非對稱系數(shù)的加大，呈現(xiàn)伴隨增大的趨勢，1.4～3.2非對稱系數(shù)增大區(qū)間，邊墻最大順河向位移增大了約1/9，表明河谷左右兩岸的對稱性雖然也對邊墻順河向位移變化產(chǎn)生影響，但沒有河谷寬度的影響明顯。

3.3.2 垂向邊墻擠壓位移

河谷非對稱系數(shù)差異下的垂向邊墻擠壓位移見圖13。

圖13 河谷非對稱系數(shù)差異下的垂向邊墻擠壓位移曲線

圖13揭示，最大垂向邊墻擠壓位移隨河谷非對稱系數(shù)差異增大，呈伴隨增大的趨勢，1.4～3.2的非對稱系數(shù)增大演變，垂向邊墻擠壓位移約有1/8的增大量，顯示河谷對稱系數(shù)對邊墻垂向擠壓位移的影響較小。

3.3.3 軸向邊墻擠壓位移

圖14為方案3-1的竣工期軸向邊墻擠壓位移分布圖，用同樣的方法，得到方案3-2、3-3、3-4的同題軸向邊墻擠壓位移分布圖。

圖14 方案3-1的竣工期軸向邊墻擠壓位移等值線(單位：m)

軸向邊墻擠壓位移分布揭示，四個方案下的邊墻中上部軸向擠壓位移的垂直分布規(guī)律大同小異，靠近左岸邊墻軸向擠壓位移隨坡比增大呈逐漸減小趨勢，靠近右岸的邊墻軸向擠壓位移隨坡比增大呈逐漸增大趨勢。1∶0.4、1∶3、1∶2和1∶0.5左岸坡比，對應(yīng)了6.50cm、6.43cm、6.41cm和6.10cm的施工期軸向最大邊墻擠壓位移，它們均發(fā)生于邊墻2/3最大壩高的兩岸附近。

4 結(jié) 論

a.順河向邊墻位移受河谷寬度系數(shù)影響顯著。河谷寬度系數(shù)差異對施工期沿壩體高程的順河向邊墻擠壓位移分布的影響多集中于邊墻的中下區(qū)域，順河整體上游向邊墻擠壓位移，隨河谷寬度差異系數(shù)的增大而逐漸加大。邊墻垂向最大擠壓位移與河谷寬度系數(shù)呈跟隨逐漸增大關(guān)系，軸向邊墻擠壓位移多發(fā)生于2/3最大壩高的右岸附近。

b.坡岸緩急系數(shù)差異對邊墻不同部位影響不同。坡岸緩急系數(shù)差異對中下部邊墻位移存在明顯影響，對邊墻下部及上部影響則漸次趨弱。0.5～1.5的坡度緩急系數(shù)增大，邊墻最大擠壓位移值發(fā)生5.2cm降低。施工期順河向邊墻擠壓位移受到河谷非對稱系數(shù)變化的影響，順河向邊墻上游擠壓位移隨非對稱系數(shù)減小而減小。河谷左右兩岸的對稱性雖然也對邊墻順河向位移變化產(chǎn)生影響，但沒有河谷寬度的影響明顯。

c.施工期順河向邊墻擠壓位移受到河谷非對稱系數(shù)變化影響。施工期順河向邊墻擠壓位移受到河谷非對稱系數(shù)變化的影響，順河向邊墻上游擠壓位移隨非對稱系數(shù)減小而減小。邊墻上游順河向最大位移隨河谷的非對稱系數(shù)的加大，呈現(xiàn)伴隨增大的趨勢。河谷左右兩岸的對稱性雖然也對邊墻順河向位移變化產(chǎn)生影響，但沒有河谷寬度的影響明顯。最大垂向邊墻擠壓位移隨河谷非對稱系數(shù)差異增大，呈伴隨增大的趨勢?？拷蟀哆厜S向擠壓位移隨坡比增大呈逐漸減小趨勢，靠近右岸的邊墻軸向擠壓位移隨坡比增大呈逐漸增大趨勢。