中厚覆蓋層上中低面板堆石壩應(yīng)力變形分析

陳 飄，鄧成發(fā)，劉正國(guó)

(1. 浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江杭州 310009； 2. 浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江杭州 310020； 3. 浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020 )

面板堆石壩由于其安全性、經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性良好等特點(diǎn)，深受壩工界的青睞，經(jīng)常成為首選的比較壩型。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2011年底中國(guó)已建、在建和擬建的混凝土面板堆石壩已達(dá)305 座，其中壩高100 m 及以上的高混凝土面板堆石壩有94 座，其中已建成48 座，在建20 座，擬建26 座[1-2]。在諸多已建或在建的面板堆石壩中有相當(dāng)一部分直接建造在覆蓋層上[3-5]。甘肅的九甸峽混凝土面板堆石壩是目前已建最高的深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩， 壩高136 m，覆蓋層最大厚度56 m。一些建基于深厚覆蓋層上的200 m 級(jí)高壩也正在建設(shè)或設(shè)計(jì)中。

對(duì)于在深厚覆蓋層上建壩，國(guó)內(nèi)廣大科研院所進(jìn)行了較為深入的研究。郭興文等[6]對(duì)覆蓋層地基上面板堆石壩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。沈婷等[7]對(duì)混凝土趾板和基礎(chǔ)的連接方式進(jìn)行了深入研究。徐澤平等[8]對(duì)深厚覆蓋層上的面板堆石壩進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究。趙一新[9]、王文嬌[10]對(duì)深厚覆蓋層上的面板堆石壩進(jìn)行了動(dòng)力特性有限元分析。王平等[11]對(duì)狹窄河谷中深厚覆蓋層上高面板堆石壩進(jìn)行了應(yīng)力變形特性研究。鄧剛等[12]根據(jù)已建面板堆石壩的竣工后沉降變形規(guī)律和室內(nèi)大型三軸流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，研究了狹窄河谷中面板壩的流變特性。本文就應(yīng)用最為廣泛的中厚覆蓋層上中低面板堆石壩變形特性進(jìn)行了有限元分析，研究面板堆石壩竣工期及蓄水期的堆石體及面板的變形特性，為同類(lèi)工程提供參考。

1 工程概況

雙溪口水庫(kù)壩址位于浙江省余姚市姚江支流大隱溪上，是以供水、防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等功能的二等綜合水利工程。大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程為70.00 m，防浪墻頂高程71.20 m，最大壩高52.10 m，壩頂寬6.90 m，長(zhǎng)426.00 m，大壩上、下游坡坡比分別為1:1.4和1:1.3，在下游23.00，39.00和54.00 m高程處，設(shè)置3級(jí)3.00 m寬的馬道。壩基覆蓋層厚5.50～15.40 m，上部主要為砂礫石層，厚3.00～7.40 m，下部為含泥砂礫石夾漂石層，厚4.35～10.90 m。

工程于2005-12-28開(kāi)工，2006-07-22長(zhǎng)311 m的防滲墻全部澆筑完成，2009-02-16面板開(kāi)始澆筑，4月底面板澆筑完成。2012-06-29，工程完工。

2 二維靜力非線性有限元分析

2.1 二維計(jì)算幾何模型

圖1 二維整體網(wǎng)格Fig.1 Two-dimensional grids

雙溪口水庫(kù)河谷寬約337 m，約為壩高的6.5倍，為典型寬河谷地形，該類(lèi)地形也是目前中低面板堆石壩普遍采用的地形形式，其大壩變形具有平面應(yīng)變特性，可采用二維非線性有限元法進(jìn)行分析。

根據(jù)壩趾區(qū)地質(zhì)條件和壩體分區(qū)特點(diǎn)，除河床砂礫石覆蓋層和岸坡強(qiáng)風(fēng)化基巖參與結(jié)構(gòu)計(jì)算外，地基按剛性考慮。以河床典型剖面(壩0+192 m)為基準(zhǔn)，采用二維自動(dòng)剖分程序剖分壩體單元，壩體單元?jiǎng)澐譃樗倪呅嗡慕Y(jié)點(diǎn)單元和少量過(guò)渡的三角形單元。單元總數(shù)為472個(gè)，其中面板與墊層間設(shè)置接觸面單元15個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)507個(gè)，剖分后的計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖1。

2.2 計(jì)算參數(shù)

各主要材料分區(qū)的鄧肯E-B本構(gòu)模型及接觸面模型參數(shù)見(jiàn)表1。混凝土面板、趾板及防滲墻采用線彈性模型，混凝土面板、趾板參數(shù)指標(biāo)為：密度為2.45 g/cm3，彈性模量20 GPa，泊松比0.167；防滲墻指標(biāo)為：密度2.4 g/cm3，彈性模量20 GPa，泊松比0.167。

表1 筑壩材料E-B模型參數(shù)Tab.1 E-B model parameters of damming material

3 計(jì)算成果分析

0+192 m計(jì)算剖面的竣工期水平位移、垂直位移、大小主應(yīng)力及應(yīng)力水平的等值線和位移矢量見(jiàn)圖2。蓄水期水平位移、垂直位移、大小主應(yīng)力及應(yīng)力水平的等值線圖和位移矢量圖見(jiàn)圖3。

(a) 水平位移等值線 (單位： cm) (b) 垂直位移等值線(單位： cm)

(c) 大主應(yīng)力等值線(單位： MPa) (d) 小主應(yīng)力等值線(單位： MPa)

(e) 應(yīng)力水平等值線 (f) 竣工期位移矢量圖2 竣工期壩體斷面應(yīng)力和位移變化Fig.2 Variations in stress and displacement of one section of the dam in completion period

(a) 水平位移等值線 (單位： cm) (b) 沉降等值線(單位： cm)

(c) 大主應(yīng)力等值線(單位： MPa) (d) 小主應(yīng)力等值線(單位： MPa)

(e) 應(yīng)力水平等值線 (f) 位移矢量圖3 蓄水期壩體斷面應(yīng)力和位移變化Fig.3 Variations in stress and displacement of one section of the dam during impoundment

3.1 堆石體變形分析

3.1.1竣 工 期 由于施工期自重以及堆石料的泊松效應(yīng)，壩體及覆蓋層的水平位移變化規(guī)律大致以壩體中心為界，下游部分向下游移動(dòng)，上游部分向上游移動(dòng)。向上游位移最大值為6.96 cm，位于上游主堆石區(qū)；向下游最大位移為7.03 cm，位于下游次堆石區(qū)；壩體最大沉降出現(xiàn)在約1/3壩高的主堆石料內(nèi)，其值為35.14 cm，約為壩高(不含覆蓋層)的0.67%，由于堆石壩坐落在相對(duì)較軟的覆蓋層上，其沉降中心較一般建于基巖上的壩偏向下部。防滲墻在堆石作用下略向上游位移，最大水平位移為3.55 cm。在自重作用下壩體的變形矢量方向?yàn)橄蛳隆⑾蛲狻?/p>

3.1.2正常蓄水期 蓄水期壩體受水壓力的推動(dòng)，整體向下游側(cè)移動(dòng)，向下游最大位移值為14.44 cm，發(fā)生在壩體上游側(cè)面板部位；在水荷載作用下，壩體的沉降量值較竣工期略有增加，增大37.97 cm，約為壩高的0.73%，沉降中心稍向上游移動(dòng)。防滲墻向下游最大位移為9.03 cm。在自重及水荷載綜合作用下壩體的變形矢量方向?yàn)橄蛳掠我苿?dòng)。

3.2 堆石體應(yīng)力及應(yīng)力水平分析

3.2.1竣 工 期 壩體堆石料內(nèi)大、小主應(yīng)力隨深度的增加而增加，方向基本接近自重方向。壩體大主應(yīng)力的最大值為1.08 MPa，小主應(yīng)力最大值為0.29 MPa，兩者均位于壩體底部中央的覆蓋層內(nèi)。

竣工期壩體的應(yīng)力水平等值線基本平行與壩坡，個(gè)別單元最大應(yīng)力水平為0.6，主要發(fā)生在覆蓋層內(nèi)，不影響壩體的整體穩(wěn)定性。

3.2.2正常蓄水期 蓄水期大壩受水荷載的作用，大、小主應(yīng)力線出現(xiàn)上抬并與面板相交，大主應(yīng)力最大值為1.22 MPa，小主應(yīng)力最大值為0.34 MPa。

蓄水期，隨著水位的升高，應(yīng)力水平發(fā)生了重分布，應(yīng)力水平最大值0.91，主要發(fā)生在上游覆蓋層內(nèi)，由于該覆蓋層內(nèi)摩擦角相對(duì)較小，該處應(yīng)力水平較高且較為集中。蓄水后防滲墻上游覆蓋層出現(xiàn)高應(yīng)力水平區(qū)，最大值為0.91，該區(qū)類(lèi)似于主動(dòng)土壓力區(qū)，防滲墻下游應(yīng)力水平亦有提高，由竣工期的0.36增加至0.69，該區(qū)類(lèi)似于被動(dòng)土壓力區(qū)，由應(yīng)力水平分布圖3(e)可知，雖然蓄水導(dǎo)致兩區(qū)應(yīng)力水平增大，但壩體各區(qū)依然穩(wěn)定，未出現(xiàn)應(yīng)力水平接近于1.0的破壞區(qū)域。

3.3 面板變形分析

圖4和5分別為竣工期和滿蓄期面板沿高程方向撓度和應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出：

(1)面板變形分析 竣工期，面板撓度僅由于自重引起，其量值較小，最大撓度僅為0.52 cm，出現(xiàn)在面板中上部。正常蓄水期，面板變形分布規(guī)律較好，面板撓度指向壩內(nèi)，面板中下部約1/3壩高部位區(qū)域數(shù)值較大，最大值為17.13 cm，出現(xiàn)在高程31.50 m附近。

(2)面板應(yīng)力分析 竣工期，面板應(yīng)力主要由自重引起，其順坡向應(yīng)力較小，最大僅為0.03 MPa。正常蓄水期，在水壓力作用下，面板絕大部分區(qū)域表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。其中順坡向壓應(yīng)力最大值為6.97 MPa，出現(xiàn)在高程31.50 m附近。

(a) 撓度分布 (b) 順坡向應(yīng)力分布圖4 竣工期面板撓度分布和順坡向應(yīng)力分布Fig.4 Slab deflection distribution and longitudinal stress distribution in completion period

(a) 撓度分布 (b) 順坡向應(yīng)力分布圖5 滿蓄期面板撓度分布和順坡向應(yīng)力分布Fig.5 Slab deflection distribution and longitudinal stress distribution in completion period

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)蓄水期壩體在水壓力作用下整體向下游位移，最大水平位移約為竣工時(shí)的2倍，最大沉降相比于竣工時(shí)增加約8%。蓄水時(shí)，在自重及水荷載綜合作用下壩體的變形矢量方向?yàn)橄蛳掠我苿?dòng)。

(2)蓄水期壩體面板受水荷載的作用，大、小主應(yīng)力線出現(xiàn)上抬并與面板相交，和竣工期相比，大、小主應(yīng)力最大值增加幅度分別為13%和17%。隨著水位的升高，應(yīng)力水平發(fā)生了重分布，應(yīng)力水平最大值0.91，未出現(xiàn)應(yīng)力水平接近于1.0的破壞區(qū)域。

(3)竣工期，面板撓度及應(yīng)力僅由于自重引起，其量值較小，蓄水后，面板撓度指向壩內(nèi)，面板主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大撓度及最大應(yīng)力均分布于約1/3壩高部位。

參 考 文 獻(xiàn)：

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