白眉水庫面板堆石壩應(yīng)力變形分析

陳 煒

（福建省水利規(guī)劃院 福建 福州 350001）

1 概述

白眉水庫位于白眉溪下游，壩址位于福建省福州馬尾開發(fā)區(qū)亭江鎮(zhèn)白眉村上游約0.5km處，距閩安約10km，距馬尾15km，距福州市區(qū)35km。白眉水庫攔河壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高51.2m，壩頂高程42.8m。防浪墻頂頂高程44m，壩頂寬6m，壩頂總長度364.4m，上下游壩坡均為1:1.35，下游壩坡在高程22.8m處設(shè)置寬2.5m的馬道。大壩標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖如圖1所示。

壩址左岸高程10m以上基巖基本裸露，而高程10m以下至河床及整個右岸均被厚約0.5m~8m的坡殘積碎石粘土所覆蓋。河床為砂卵石層、中間夾兩層淤泥（厚0.5m~3.2m），總厚度為5m~11.65m；砂卵石層下伏花崗巖風(fēng)化的殘積粘土層厚約2m~9m。壩址出露5條斷層，其中F1斷層影響較大，其破碎帶及斷層影響帶寬約15m。

白眉大壩壩址覆蓋層較深，地質(zhì)條件復(fù)雜，趾板落在覆蓋層上，在堆石壩中較為少見，大壩從2005年完工至今已經(jīng)安全運行7年，表明大壩的設(shè)計是合理的。本文擬運用大型有限元商業(yè)軟件ABAQUS對白眉水庫面板堆石壩進(jìn)行有限元計算分析，對大壩的應(yīng)力變形特征進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)經(jīng)驗，以期能夠為類似工程的設(shè)計提供參考。

2 計算模型

2.1 模型概化

計算采用ABAQUS二維平面應(yīng)變分析，網(wǎng)格劃分采用4節(jié)點參單元CPE4，單元總數(shù)共計9876個，其中填筑單元5825個,結(jié)點總數(shù)10104個，壩體有限元網(wǎng)格見圖2。壩體、壩基巖體分別鄧肯-張EB本構(gòu)模型和線彈性模型，其中鄧肯-張EB模型是利用ABAQUS子程序UMAT的二次開發(fā)實現(xiàn)。

鄧肯-張EB模型中切線彈性模量、體積變形模量B的表達(dá)式為：

其中，E0為初始彈性模量，

為模擬分期施工與蓄水情況，計算按55步分級加載計算，利用ABAQUS的生死單元技術(shù)實現(xiàn)施工過程模擬。其中1步~52步為壩體填筑加載，53步~55步為蓄水步。

2.2 計算參數(shù)

表1 白眉水庫工程鄧肯-張EB模型參數(shù)

表2 壩體及基礎(chǔ)應(yīng)力變形極值比較表

白眉水庫壩體填筑石料的巖性為燕山晚期的鉀長晶洞花崗巖，巖質(zhì)致密堅硬。省內(nèi)金鐘水利樞紐工程壩體填筑料為燕山晚期的鉀長花崗巖，屬同類巖體，巖性、風(fēng)化程度相同，選用的鄧肯-張EB模型計算參數(shù)如表1。混凝土面板、弱風(fēng)化基巖、強風(fēng)化基巖、覆蓋層采用線彈性模型，根據(jù)地勘報告彈性 模 量 分 別 取 為 28GPa、3.5GPa、1GPa，20MPa。

3 計算成果

3.1 壩體及基礎(chǔ)應(yīng)力、變形計算成果及分析

由于壩址處覆蓋層較深，為分析覆蓋層對大壩變形的影響，分別針對考慮基礎(chǔ)變形和不考慮基礎(chǔ)變形兩種情況進(jìn)行分析，計算得到的壩體應(yīng)力變形成果見表2。

3.1.1 不考慮基礎(chǔ)變形情況下的壩體變形分析

為分析堆石體自身產(chǎn)生的變形，以及基礎(chǔ)變形對壩體變形影響，首先分析不考慮基礎(chǔ)變形情況下的壩體變形。限于篇幅本文只列出蓄水期的大壩位移及應(yīng)力分布圖，見圖3~圖4。

（1）壩體水平位移

竣工期順河向水平位移由壩體自重產(chǎn)生，壩體向上游水平位移值為4.3cm、向下游的水平位移值為4.6cm，基本呈對稱分布。蓄水期在水壓力作用下，壩體大部分區(qū)域的水平位移指向下游，壩體水平位移明顯增加，最大值為11.3cm，發(fā)生在壩體上游面的中上部。

（2）壩體垂直位移

竣工期壩體垂直位移最大值發(fā)生在壩體中部約壩高的3/5處，最大垂直位移為19.2cm，約占壩高的為壩高的0.37%。蓄水期由于水荷載的作用，最大垂直位移發(fā)生部位較竣工期偏向上游，數(shù)值上略為增大為19.7cm，約占壩高的0.38%?？梢钥闯?，大壩垂直位移主要是由壩體自重產(chǎn)生，水荷載對其影響不大。

3.1.2 考慮基礎(chǔ)變形情況

大壩變形實際上是由基礎(chǔ)變形和大壩本身變形共同產(chǎn)生，本節(jié)分析考慮了基礎(chǔ)對壩體變形的影響。限于篇幅本文只列出蓄水期的大壩位移及應(yīng)力分布圖，見圖5~圖8。

（1）壩體水平位移

竣工期壩體的水平位移基本呈對稱分布，最大水平發(fā)生在壩底靠上、下游面附近，壩體向上游水平位移最大值為12.7cm、向下游的水平位移最大值為18.3cm。蓄水期在水壓力作用下，壩體大部分區(qū)域的水平位移指向下游，最大值為25.2cm，發(fā)生在壩體上游面的中上部。

（2）壩體垂直位移

竣工期壩體垂直位移最大值發(fā)生在壩體中部約壩高的1/3處，竣工期最大垂直位移為51.1cm，約占壩高的0.998%。蓄水期垂直位移等值線向上游偏移大小略為增加，最大垂直位移最大值發(fā)生部位較竣工期偏向上游在壩軸線9m高程附近，為54.4cm，約占壩高的1.06%。相應(yīng)部位預(yù)埋的沉降儀觀測到的沉降量最大值為52.7cm，兩者吻合較好。

（3）壩體應(yīng)力

竣工期，壩體的大主應(yīng)力與堆石體自重應(yīng)力較接近，在同一高程處，大主應(yīng)力中部比兩邊大，最大值出現(xiàn)在壩底中部。大主應(yīng)力等值線外形上近似平行于上下游壩坡，并在壩料分區(qū)處有轉(zhuǎn)折。蓄水期壩軸線上游側(cè)應(yīng)力有所增加，但增量不大，大主應(yīng)力最大值位置略往上游移動?？⒐て趬误w大主應(yīng)力最大值為765kPa，小主應(yīng)力最大值為62kPa；蓄水期壩體大主應(yīng)力最大值為846kPa，小主應(yīng)力最大值為338kPa。

3.2 面板、趾板應(yīng)力變形計算成果及分析

考慮到壩基覆蓋層較深且大壩壩高不高（最大壩高51.2m），綜合考慮經(jīng)濟技術(shù)等因素后，趾基的處理措置最終為將趾板置于覆蓋層上。趾板位移為6.8cm，面板繞度最大16.2cm，發(fā)生在面板中部，順坡向位移最大4.0cm，發(fā)生面板底部。面板最大主拉應(yīng)力798kPa，發(fā)生在趾板和面板接觸部位，最大主壓應(yīng)力為3091kPa，發(fā)生在趾板和面板接觸部位，該處應(yīng)力較大原因是由于應(yīng)力集中產(chǎn)生?？傮w上看，面板及趾板應(yīng)力都在鋼筋混凝土的安全范圍內(nèi)，不會發(fā)生破壞。

3 結(jié)論

綜上所述，由于本工程壩址覆蓋層較厚，由基礎(chǔ)變形產(chǎn)生的大壩變位占的比重較大，約占55%水平位移和65%的垂直位移是由基礎(chǔ)變形產(chǎn)生的。盡管覆蓋層對大壩變位影響較大，但由于由于大壩最大壩高僅51.2m屬中壩，從整體有限元分析的成果來看，蓄水期最大垂直位移僅為54.4cm，為壩高的1.06%，屬合理的范圍內(nèi)。

另外從應(yīng)力成果可以發(fā)現(xiàn)，最大主壓應(yīng)力為846kPa，大壩基本呈受壓狀態(tài)，僅蓄水期在同面板接觸部位局部存在拉應(yīng)力?？傮w上壩體應(yīng)力水平不高，壩體不會發(fā)生破壞，覆蓋層對大壩應(yīng)力水平影響不大，大壩自身是安全的。

本工程面板是在堆石體填筑完畢，并且沉降穩(wěn)定后一次性澆筑，其變形主要在蓄水期產(chǎn)生，面板繞度最大16.2cm，發(fā)生在面板中部，順坡向位移最大4.0cm。面板最大主拉應(yīng)力798kPa，最大主壓應(yīng)力最大3091kPa，面板應(yīng)力狀態(tài)良好。目前該工程已安全運行7年，運行情況良好。陜西水利

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