印度尼西亞Jatigede大壩工程壩體沉降分析

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

1 工程概況

Jatigede大壩工程位于印度尼西亞西爪哇省的Cimanuk河上，距離Cirebon城75km。工程所在地為赤道地區(qū)，屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫26℃，年平均降雨量2880mm。每年分為雨季和旱季，雨季時(shí)段為每年11月至次年4月，旱季時(shí)段為5月至10月。

Jatigede大壩工程控制流域面積1460km2，水庫(kù)總庫(kù)容1062.78×106m3。大壩壩型為粘土心墻堆石壩，最大壩高110m。電站裝機(jī)容量110MW，多年平均發(fā)電量約4.5億kW·h。樞紐主要建筑物包括：大壩、溢洪道、灌溉洞、發(fā)電進(jìn)水口、隧洞、調(diào)壓井、壓力管道和廠房等。粘土心墻堆石壩、溢洪道控制段地震設(shè)防烈度為Ⅸ度，其它建筑物的地震設(shè)防烈度為Ⅷ度。

2 壩體設(shè)計(jì)

Jatigede水庫(kù)大壩壩型為粘土心墻堆石壩。壩頂高程265.00m，最大壩高110m，壩軸線長(zhǎng)1668m。上游圍堰與大壩連為一體，為大壩的一部分。圍堰頂部高程204.00m，頂寬12.00m。上游壩坡在204.00m高程以上為1∶2，以下為1∶3。下游壩坡1∶1.9，設(shè)三級(jí)馬道，馬道寬均為6.0m，頂高程分別為235.00m、205.00m和175.00m。

壩體斷面分為6個(gè)區(qū)，從中部向上、下側(cè)均為(1)粘土防滲墻區(qū)、(2A)、(2B)反濾料區(qū)、(3A)過(guò)渡料區(qū)(最大粒徑40cm)、(3B)堆石區(qū)(最大粒徑80cm)和(4)干砌石護(hù)坡。

3 壩體沉降監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

選擇最大壩高剖面Sta1+100作為大壩主要監(jiān)測(cè)斷面，其它次要監(jiān)測(cè)斷面的位置見(jiàn)壩體沉降監(jiān)測(cè)斷面位置表和圖。

3.1 壩體變形監(jiān)測(cè)

主要儀器包括豎直測(cè)斜管和電磁沉降儀。壩體的水平位移和垂直位移變形監(jiān)測(cè)由測(cè)斜管和電磁沉降儀完成。測(cè)斜管能夠測(cè)量連續(xù)大范圍內(nèi)的壩體水平位移變形，同時(shí)也用作電磁式沉降儀的管路。

3.2 壩體主要沉降監(jiān)測(cè)儀器布置

壩體沉降監(jiān)測(cè)采用“電磁式沉降儀”，共布置了8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(VC1-VC10)，位置見(jiàn)表3。主要監(jiān)測(cè)斷面如圖1、圖2所示。

圖1 壩體沉降監(jiān)測(cè)縱斷面位置

圖2 壩體主要沉降監(jiān)測(cè)橫斷面Sta1+100位置

4 壩體沉降監(jiān)測(cè)分析

本工程于2008年開(kāi)工。大壩于2012年5月開(kāi)始填筑，2014年8月2日壩體最大斷面填筑至壩頂266.05m高程；2015年8月31日導(dǎo)流洞下閘，水庫(kù)開(kāi)始蓄水；2016年5月31日大壩蓄水至252.50m。最大壩高斷面，壩體填筑時(shí)間在2012年5月-2014年8月2日，此期間為壩體填筑期；2014年8月28日以后為運(yùn)行期。

VC1為最大壩高監(jiān)測(cè)斷面。位置為：Sta1+100，4.5mD/S。該處壩高110m，為壩體沉降監(jiān)測(cè)的典型斷面，VC1監(jiān)測(cè)斷面在壩體不同高程的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共19個(gè)，從下到上分為M.1-M.19，監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)高程及主要沉降監(jiān)測(cè)數(shù)值見(jiàn)表1。

4.1 最大壩高斷面VC1壩體沉降分析

表1 最大壩高斷面(VC1)壩體沉降匯總

填筑期壩體最大沉降量為1599mm(M.10)，壩頂最大沉降量為0mm(M.19)。壩體填筑結(jié)束至下閘蓄水前壩體最大沉降增量為241mm(M.14)，壩頂最大沉降量為159mm(M.19)。下閘蓄水后壩頂及壩體最大沉降量為163mm(M.19)。運(yùn)行期壩體最大沉降增量為368mm(M.14)，壩頂最大沉降增量為322mm(M.19)，見(jiàn)表2。

表2 最大壩高斷面(VC1)壩體沉降表

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)壩體最大沉降量為1834mm(M.10)，詳見(jiàn)圖3和圖4。其中，填筑期沉降增量為1599mm，蓄水前沉降增量為137mm，蓄水后沉降增量為98mm。壩體最大沉降發(fā)生在壩體中部。蓄水后期的沉降增量較小，隨時(shí)間的增加，壩體的沉降逐漸收斂。壩體沉降主要發(fā)生在施工填筑期和蓄水前，運(yùn)行期沉降量較小，在設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)。

大壩蓄水后到監(jiān)測(cè)資料截止時(shí)壩體最大沉降增量為163mm，發(fā)生在壩頂。蓄水引起的壩體沉降增量較小，無(wú)明顯的濕陷沉降變形，因此壩體沉降主要發(fā)生在施工填筑期和蓄水前期，蓄水后壩沉降量在控制范圍內(nèi)。

圖3 最大壩高斷面(VC1)壩體沉降分析

圖4 最大壩高斷面(VC1)填筑/運(yùn)行期沉降分析

4.2 不同壩高位置壩體沉降分析

表3壩體各監(jiān)測(cè)斷面總沉降匯總(2012年5月-2018年4月9日)

大壩縱剖面不同位置的大壩沉降監(jiān)測(cè)斷面VC1-VC10的數(shù)據(jù)表明：壩頂部的總沉降量/壩高的最大值為0.34%，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)的預(yù)留值1%。

4.3 壩體沉降分析結(jié)論

根據(jù)2012年5月-2018年4月9日監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的壩體沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析整理出壩體VC1典型監(jiān)測(cè)斷面壩體沉降與時(shí)間關(guān)系曲線，該系列見(jiàn)圖5。VC1斷面不同高程的19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(M.1-M.19)壩體沉降規(guī)律基本相同：壩體填筑期，沉降隨填筑高程的增加而增大；壩體填筑至壩頂至蓄水前期，壩體總體沉降量仍逐漸增大，但壩體沉降-時(shí)間曲線明顯變緩，即相同觀測(cè)時(shí)間周期內(nèi)，壩體的沉降增量明顯減小，說(shuō)明壩體沉降主要發(fā)生在施工填筑期，填筑結(jié)束后壩體的沉降逐漸收斂。運(yùn)行期，壩體總體沉降量仍逐漸增大，但壩體沉降-時(shí)間曲線明顯更緩，即相同觀測(cè)時(shí)間周期內(nèi)，壩體的沉降增量明顯減小，說(shuō)明壩體沉降主要發(fā)生在施工填筑期和蓄水前期，運(yùn)行期壩體的沉降逐漸收斂。壩頂沉降隨相應(yīng)斷面的壩體高度的增加而增大，因此壩頂預(yù)留沉降超高采用相應(yīng)斷面壩高的1%設(shè)計(jì)是合理的。

圖5 最大壩高斷面(VC1)壩體分層沉降-時(shí)間曲線

5 壩體有限元計(jì)算分析

5.1 有限元分析簡(jiǎn)述

(1)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

筑壩料的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系采用鄧肯—張雙曲線非線性彈性模型，即其應(yīng)力應(yīng)變的相關(guān)關(guān)系符合雙曲線變化規(guī)律。

(2)破壞準(zhǔn)則

壩體填筑料的抗剪強(qiáng)度關(guān)系如下：

(σ1-σ3)f=2(C·cosφ+σ3·sinφ)/(1-sinφ)

(1)

式中：C——凝聚力；

φ——內(nèi)摩擦角。

(3)卸荷準(zhǔn)則

三軸剪切試驗(yàn)表明，在卸荷階段，筑壩材料表現(xiàn)為視彈性特性，此時(shí)的彈性模量稱(chēng)為卸荷模量Eμr。

(2)

式中：Kμr——卸荷模量數(shù)，一般取Kμr=(1.2～2.0)K。

考慮到堆石料等壩料存在明顯的剪脹特性，故取Kμr=2·K，因?yàn)槎咽显诒３枝?不變的三軸試驗(yàn)中如發(fā)生剪脹，勢(shì)必引起周?chē)鷫毫Ζ?的增大，為保持σ3不變的應(yīng)力路徑，則只有進(jìn)一步增加Kμr值。

5.2 計(jì)算方法與邊界條件

非線性有限元分析是根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，把它逐段地轉(zhuǎn)化為一系列的線性問(wèn)題，用迭代法求解，其求解步驟為：①實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的離散化；②單元分析；③總體分析。

為了能模擬壩體的逐級(jí)填筑過(guò)程，即荷載隨時(shí)間增長(zhǎng)的特性，計(jì)算中采用中點(diǎn)增量法來(lái)求解非線性方程組，將非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題來(lái)求解。

考慮大壩清除覆蓋層建在基巖上，計(jì)算中沒(méi)考慮壩基變形，單元剖分采用任意四邊形等參單元，單元?jiǎng)澐种锌紤]壩體分區(qū)，并在易發(fā)生應(yīng)力集中的部位，加密單元網(wǎng)格，計(jì)算過(guò)程采用逐級(jí)加荷模擬施工過(guò)程。計(jì)算壩體填筑分18級(jí)，加荷第16級(jí)到第18級(jí)為蓄水荷載，共計(jì)劃分506個(gè)單元和545個(gè)節(jié)點(diǎn)。壩體設(shè)計(jì)剖面圖和單元剖分圖見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 壩體設(shè)計(jì)剖面

圖7 壩體單元剖分

5.3 材料參數(shù)選取

根據(jù)壩料試驗(yàn)成果，用于有限元分析的各種壩體填筑料參數(shù)見(jiàn)表4、表5、表6。

表4 設(shè)計(jì)參數(shù)和填筑標(biāo)準(zhǔn)建議值

表5 抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值

表6 應(yīng)力應(yīng)變E-μ和E-B模型參數(shù)建議值

5.4 壩體有限元計(jì)算成果分析

5.4.1 壩體有限元計(jì)算成果

(1)竣工期

竣工期最大垂直沉降為118.17cm，發(fā)生于2/3壩高的壩軸線附近，壩頂下沉量為13.70cm，如圖8所示。這里竣工期對(duì)應(yīng)下閘蓄水前。

圖8 填筑期沉降等值線(單位：cm)

(2)正常蓄水位

在沒(méi)考慮心墻濕陷變形的條件下，正常蓄水位時(shí)最大垂直沉降為119.03cm，說(shuō)明蓄水引起的壩體附加垂直沉降值不大，對(duì)壩體的沉降等值線分布影響不大，最大垂直沉降仍然發(fā)生在2/3壩高的壩軸線附近，如圖9所示。圖10為不同高程心墻軸線的沉降。

圖9 正常水位沉降等值線(單位：cm)

圖10 不同高程心墻軸線沉降

(3)正常蓄水位遇9度地震

采用擬靜力法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)遇9度地震時(shí)取相應(yīng)的地震加速度為0.4g。

最大沉降發(fā)生在壩體頂部，最大值為159.79cm(包含正常水位壩頂沉降)，沉降等值線說(shuō)明地震引起的沉降隨壩體高程的增高而增大，如圖11所示。

圖11 正常水位遇9度地震沉降等值線(單位：cm)

5.4.2 壩體有限元計(jì)算與監(jiān)測(cè)成果對(duì)比

壩體有限元計(jì)算結(jié)果表明：在沒(méi)考慮心墻濕陷變形的條件下，正常蓄水位時(shí)最大垂直沉降為1190mm；現(xiàn)監(jiān)測(cè)值為368mm，小于設(shè)計(jì)值。運(yùn)行期壩頂最大沉降為322mm，小于壩頂設(shè)計(jì)預(yù)沉降超高1100mm。

正常蓄水位遇9度地震，采用擬靜力法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：最大沉降發(fā)生在壩體頂部，最大值為1598mm(包含正常水位壩頂沉降)；壩頂高程計(jì)算時(shí)：地震附加沉陷1.0m，地震壅浪高度1.1m。壩頂高程計(jì)算時(shí)采用的地震附加沉陷為1.0m，大于有限元計(jì)算值1598-1190=408mm，表明壩頂高程設(shè)計(jì)是安全的。

表7 最大壩高斷面壩體沉降有限元計(jì)算與監(jiān)測(cè)成果對(duì)比

6 結(jié)論

(1)最大壩高斷面(VC1)壩體最大沉降量為1834mm(2012年5月-2018年4月9日)，發(fā)生在壩體中部。壩體填筑結(jié)束至今，壩體最大沉降增量為368mm(M.14)(約在壩高1/3處)，壩頂最大沉降增量為322mm(M.19)；壩頂最大沉降增量比設(shè)計(jì)預(yù)留沉降超高1100mm小很多；蓄水至今引起的壩體沉降增量?jī)H163mm，無(wú)明顯的濕陷沉降變形；

(2)壩頂沉降隨相應(yīng)斷面的壩體高度增加而增大，因此，壩頂預(yù)留沉降超高采用相應(yīng)斷面壩高的1%設(shè)計(jì)是合理的；

(3)與印度尼西亞國(guó)內(nèi)同規(guī)模、同類(lèi)型的土石壩相比，Jatigede大壩工程的壩體沉降量小、沉降增量收斂速度明顯較快。壩體沉降監(jiān)測(cè)及滲流等數(shù)據(jù)表明：壩體設(shè)計(jì)是安全、合理的，且壩體填筑質(zhì)量好。