覆蓋層對(duì)面板堆石壩脫空的影響研究

廖冬芽

摘? 要：面板作為修建在堆石壩上游的建筑物，其主要作用為擋水和防滲，由于堆石壩體和面板的材料屬性差異較大，因此面板與壩體的變形相差較大，故而面板出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象。本文結(jié)合具體的覆蓋層上的某面板堆石壩工程，通過(guò)建立不同覆蓋層厚度的面板堆石壩有限元計(jì)算模型，進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析，計(jì)算分析了大壩在竣工期的應(yīng)力變形，在此基礎(chǔ)上研究覆蓋層對(duì)面板脫空的具體影響。結(jié)果表明，隨著覆蓋層厚度的增大，壩體的沉降、順河向位移、橫河向位移的最大值以及面板撓度和順坡向應(yīng)力的最大值均隨之也在不斷增大。覆蓋層的存在一定程度上增大了面板脫空的極值，對(duì)大壩的安全運(yùn)行產(chǎn)生了不利的影響，因此需提高覆蓋層地基的承載力，減少大壩的不均勻沉降，可以有效地預(yù)防面板脫空現(xiàn)象的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：覆蓋層? 竣工期? 面板? 堆石壩? 脫空

中圖分類(lèi)號(hào)：TV641.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0029-04

Study on the Influence of Overburden on the Void of CFRD

LIAO Dongya

（China Railway Water Conservancy and Hydropower Planning and Design Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi Province， 330029? China）

Abstract： As a building built on the upstream of rockfill dam， the main function of panel is water retaining and seepage prevention. Because of the material properties of rockfill dam and panel are different， the deformation of the face plate and dam body is different， so the face slab appears void phenomenon. In this paper， based on a concrete face rockfill dam project on the concrete cover， the face rockfill dam with different thickness of overburden is established The finite element model is used to calculate and analyze the stress and deformation of the dam during the completion period. On this basis， the concrete influence of the overburden on the slab void is studied. The results show that with the increase of overburden thickness， the maximum values of dam settlement， along river displacement， across river displacement， and the maximum values of slab deflection and along slope stress are increasing. The existence of overburden increases the extreme value of slab void to a certain extent， which has a negative impact on the safe operation of the dam. Therefore， it is necessary to improve the bearing capacity of overburden foundation and reduce the uneven settlement of the dam， which can effectively prevent the occurrence of slab void.

Key Words： Overburden; Completion period; Face slab; Rockfill dam; Void

面板堆石壩以上游的面板為主要的防滲結(jié)構(gòu)體、以堆石體為主要的受力結(jié)構(gòu)體，具有對(duì)地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、壩體斷面小、建設(shè)成本低、工期較短、便于施工導(dǎo)流、穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，在大壩工程的建設(shè)中，通常將面板堆石壩作為首選壩型來(lái)考慮[1]。

面板堆石壩的面板發(fā)生脫空現(xiàn)象的直接原因是壩體與面板變形難以協(xié)調(diào)，而影響二者變形的因素有很多，例如筑壩材料的流變特性、壩體的分層碾壓、面板的分期澆筑、堆石體填筑時(shí)超出面板的高度、壩體的預(yù)沉降期、壩體自重、堆石體的壓實(shí)質(zhì)量、大壩的蓄水過(guò)程、庫(kù)水位的循環(huán)升降、地形地質(zhì)條件等因素，目前各影響因素對(duì)面板脫空的影響程度尚不明確。

大壩工程建設(shè)中，在深厚覆蓋層地基上修建土石壩是不可避免的，如果不挖除覆蓋層將土石壩修建在其上可以減少工程成本費(fèi)用，減短工期，便于施工導(dǎo)流，但覆蓋層會(huì)使得大壩產(chǎn)生較大的不均勻沉降[2]。就目前而言，覆蓋層地基上建造的面板堆石壩也不在少數(shù)，覆蓋層的存在既然會(huì)使大壩產(chǎn)生較大的不均勻沉降，就很有可能加劇面板和壩體本身由于材料屬性的差異出現(xiàn)的面板脫空現(xiàn)象，因此很有必要對(duì)深厚覆蓋層上的面板堆石壩的面板脫空問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)地研究。

1? 工程概況

某覆蓋層上的面板堆石壩壩頂最大長(zhǎng)度為232.0m，壩頂?shù)膶挾葹?1.0m，壩頂高程為 2206.5m，正常蓄水位為2202.0m，最大壩高為137m，上游壩坡坡度為1∶1.4，下游壩坡坡度在高程2170.5m以下為1：1.45，高程2170.5m以上為1∶1.5。此大壩壩址區(qū)域的覆蓋層主要為沖積砂礫卵石層，河槽部位的覆蓋層最大厚度大約為50m，大壩的標(biāo)準(zhǔn)剖面如圖1所示。

2? 有限元模型

根據(jù)該面板堆石壩工程的相關(guān)設(shè)計(jì)圖，分別建立3個(gè)覆蓋層厚度為20m、30m、40m的三維有限元模型，3個(gè)模型除了覆蓋層厚度不一樣之外，其余特征參數(shù)均一致。計(jì)算中以順?biāo)飨驗(yàn)閤軸方向，向下游為正;以垂直水流方向?yàn)閥軸方向，向左岸為正;以豎直方向?yàn)閦軸方向，向上為正。覆蓋層地基底部施加固定端約束，兩岸壩肩施加法向約束。計(jì)算模型均采用八結(jié)點(diǎn)六面體單元，混凝土面板的網(wǎng)格如圖2所示。

3? 材料本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)及條件

在進(jìn)行有限元計(jì)算分析時(shí)，壩體堆石料和覆蓋層的本構(gòu)模型采用鄧肯-張E-B模型[3]，原因在此不再贅述，材料參數(shù)通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)獲得?；炷撩姘宀捎镁€彈性本構(gòu)模型，密度為2400kg/m3，泊松比為0.167，彈性模量為30GPa。面板與壩體之間的接觸面同樣采用無(wú)厚度的Goodman單元模擬。

對(duì)不同覆蓋層厚度的面板堆石壩，根據(jù)大壩的實(shí)際填筑順序及蓄水過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬[4]。計(jì)算時(shí)壩體填筑共分15個(gè)加載級(jí)模擬，混凝土面板的澆筑分 2 個(gè)加載級(jí)模擬。

對(duì)覆蓋層厚度為20m、30m、40m的面板堆石壩分別進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得出3個(gè)不同覆蓋層厚度的面板堆石壩在竣工期的應(yīng)力變形，在此基礎(chǔ)上計(jì)算分析面板和墊層的相對(duì)變形，得出不同模型所對(duì)應(yīng)的面板脫空值，研究覆蓋層對(duì)面板堆石壩面板脫空的影響規(guī)律[5]。

4? 竣工期不同覆蓋層厚度的面板堆石壩的應(yīng)力變形分析

對(duì)3個(gè)不同覆蓋層厚度的面板堆石壩，分別采用相同的計(jì)算方法對(duì)大壩竣工期的應(yīng)力變形進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，得出了不同覆蓋層厚度的大壩竣工期應(yīng)力變形的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明應(yīng)力變形的分布規(guī)律大體相一致，僅僅在數(shù)值上有所差別而已?，F(xiàn)將3個(gè)不同大壩竣工期應(yīng)力變形的最大值匯總于表1中，只將應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果列于表1中，不再對(duì)此做具體分析。由于3個(gè)不同覆蓋層厚度的大壩竣工期面板和壩體變形的分布規(guī)律基本一致，只是在數(shù)值上有所差別而已，因此限于篇幅只列出覆蓋層厚度為20m的面板堆石壩竣工期的變形云圖，如圖3、圖4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，竣工期不同覆蓋層厚度的大壩沉降、水平位移、橫河向位移的分布規(guī)律大體相一致，3個(gè)不同覆蓋層厚度的壩體和面板變形最大值出現(xiàn)的位置基本都相同。由圖3、圖4可知，竣工期壩體最大沉降出現(xiàn)在大約1/2壩高附近;壩體的水平位移分布基本是對(duì)稱的，上游堆石體產(chǎn)生向上游的位移，下游堆石體產(chǎn)生向下游的位移;兩岸壩坡附近的堆石壩體呈現(xiàn)向河床部位變位的趨勢(shì)，由于河谷形狀不對(duì)稱，所以大壩橫河向的位移分布也出現(xiàn)不對(duì)稱的現(xiàn)象;面板撓度最大值出現(xiàn)在大約2/3壩高處，面板的撓度值向最大值處的四周逐漸減小。

由表1可知，隨著覆蓋層厚度的增大，壩體的最大沉降、順?biāo)飨蛭灰频淖畲笾岛蜋M河向位移的最大值以及面板的撓度和順坡向應(yīng)力的最大值均隨之增大，而壩體的大、小主應(yīng)力卻呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

5? 竣工期不同覆蓋層厚度的面板堆石壩面板脫空的結(jié)果分析

根據(jù)不同覆蓋層厚度的面板堆石壩竣工期面板脫空的計(jì)算結(jié)果可知，3個(gè)模型計(jì)算出的面板脫空的分布規(guī)律大致相同，但與覆蓋層厚度相對(duì)較小的面板堆石壩相比，覆蓋層厚度相對(duì)較大的面板堆石壩所對(duì)應(yīng)的面板脫空值更大，這主要是因?yàn)楦采w層越厚，會(huì)使得大壩產(chǎn)生更多的不均勻沉降，加劇了面板和壩體之間的變形不協(xié)調(diào)特性，進(jìn)而使得面板的脫空值更大[6]?，F(xiàn)將3個(gè)大壩竣工期面板脫空的計(jì)算結(jié)果列于表2中，覆蓋層為20m的大壩竣工期面板脫空等值線圖如圖5 所示。

不同覆蓋層厚度的大壩竣工期面板脫空的分布規(guī)律大體相一致，受本工程特殊地形地質(zhì)條件的影響，面板脫空的最大值均出現(xiàn)在左岸河床部位附近。由表2可知，隨著覆蓋層厚度的增大，大壩竣工期面板脫空的最大長(zhǎng)度、最大寬度、最大深度也隨之呈現(xiàn)不同程度的增大趨勢(shì)。當(dāng)覆蓋層厚度從20m增加到30m時(shí)，面板脫空的最大長(zhǎng)度增大了3.4%，面板脫空的最大寬度增大了10.9%，面板脫空的最大深度增大了23.8%。當(dāng)覆蓋層厚度從30m增加到40m時(shí)，面板脫空的最大長(zhǎng)度同樣增大了3.4%，面板脫空的最大寬度增大了5.6%，面板脫空的最大深度增大了50.1%。從表2中可以明顯看出，隨著覆蓋層厚度的增大，面板脫空深度的最大值隨之變化的幅度更大。

6? 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合具體的覆蓋層地基上的某面板堆石壩工程實(shí)例，在ABAQUS中建立了3個(gè)不同覆蓋層厚度的面板堆石壩有限元模型，對(duì)其分別進(jìn)行了三維有限元計(jì)算分析，得出了3個(gè)大壩在竣工期的應(yīng)力變形。隨著覆蓋層厚度的增大，壩體的沉降、順河向位移、橫河向位移的最大值以及面板撓度和順坡向應(yīng)力的最大值均隨之在不斷地增大。通過(guò)計(jì)算分析面板和壩體的相對(duì)位移，得出了竣工期3個(gè)大壩所對(duì)應(yīng)的面板脫空的極值和范圍隨覆蓋層厚度的變化規(guī)律。覆蓋層的存在一定程度上增大了面板脫空的極值，對(duì)大壩的安全運(yùn)行產(chǎn)生了不利的影響，因此需提高覆蓋層地基的承載力，減少大壩的不均勻沉降，可以有效地預(yù)防面板脫空現(xiàn)象的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉月.基于BIM的重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2020.

[2] 陳彪.混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形及動(dòng)力響應(yīng)研究[D].西寧：青海大學(xué)，2020.

[3] 余華.基于鄧肯E-B模型的面板堆石壩應(yīng)力變形分析——以毛家河水庫(kù)面板堆石壩為例[J].人民珠江，2016，37（9）：40-47.

[4] 吳海波. 面板堆石壩面板脫空的影響因素研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2020.

[5] 劉漢龍，劉彥辰，楊貴，等.覆蓋層上混凝土-堆石混合壩模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2017，38（3）：617-622，671.

[6] 邢建營(yíng).面板堆石壩深覆蓋層處理技術(shù)研究及在河口村水庫(kù)工程中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2020，42（7）：1368-1376.