高面板堆石壩變形性態(tài)分析與研究

張禮兵 ， 馮燕明

（1.中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高土石壩分中心，云南 昆明 650051）

0 引 言

截至2005年，我國(guó)30 m以上大壩中土石壩3216座 （其中堆石壩391座）、重力壩545座、拱壩729座，土石壩在各種壩型中所占比例為67%[1]。目前，高土石壩以堆石壩為主，其中高面板堆石壩所占比重越來越大。因此，有必要對(duì)高面板堆石壩變形監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析總結(jié)，并以此指導(dǎo)工程的設(shè)計(jì)與施工。

結(jié)合在建梨園水電站面板堆石壩，分析評(píng)價(jià)大壩填筑到壩頂時(shí)變形監(jiān)測(cè)成果，建立大壩三維有限元模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[2]反演堆石體參數(shù)并計(jì)算其變形狀況，分析評(píng)價(jià)大壩的工作性態(tài)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外類似工程的變形監(jiān)測(cè)成果，總結(jié)高面板堆石壩沉降范圍，提出大壩堆石體壓縮模量與沉降比的關(guān)系，以此評(píng)價(jià)面板堆石壩變形性態(tài)與施工質(zhì)量，為在建及擬建的高面板堆石壩提供參考。

1 大壩堆石體計(jì)算參數(shù)反演

1.1 計(jì)算模型及反演初始參數(shù)

根據(jù)梨園水電站壩址區(qū)地質(zhì)條件和壩體分區(qū)特點(diǎn)，建立計(jì)算模型 （見圖1）。整個(gè)壩體結(jié)構(gòu)總結(jié)點(diǎn)5 737個(gè)，總單元4 949個(gè)。堆石靜力本構(gòu)關(guān)系采用鄧肯E-B模型[3]。根據(jù)可研階段堆石料試驗(yàn)結(jié)果[4]及對(duì)比其他工程，確定靜力計(jì)算的初始材料參數(shù) （見表1），并以此作為參數(shù)反演取值范圍的重要參考。

圖1 壩體三維有限元網(wǎng)格

表1 初始材料參數(shù)

1.2 反演程序與方法

采用MATLAB程序建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)面板壩堆石體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演，根據(jù)參數(shù)敏感性分析，選取壩體主堆石、次堆石的參數(shù)K、n、Kb、m為反演參數(shù)，反演參數(shù)與大壩位移矢量δ之間的關(guān)系可視為某種非線性映射關(guān)系δ=f（K，Kb，n，m），并用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似實(shí)現(xiàn)。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的E-B參數(shù)反演方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）組織網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本。首先依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)資料和工程經(jīng)驗(yàn)，給出堆石體反演參數(shù)的取值范圍（樣本取值區(qū)間），選取典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移作為訓(xùn)練的指標(biāo)。

（2）用有限元計(jì)算測(cè)點(diǎn)在竣工期的位移值，并作為網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量，對(duì)應(yīng)的堆石料的待反演參數(shù)為輸出矢量。

（3）運(yùn)用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)程序?qū)υ摼W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，滿足一定精度后則停止訓(xùn)練。

（4）選取計(jì)算測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值，將其輸入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸出即為待求的力學(xué)參數(shù)。反演技術(shù)路線見圖2。

1.3 堆石體參數(shù)反演

選取具有代表性的8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為輸入單元，分別基于水管式沉降儀實(shí)測(cè)沉降、電磁沉降環(huán)實(shí)測(cè)沉降[5]反演參數(shù)，結(jié)果見表2。

圖2 反演技術(shù)路線

表2 E-B模型參數(shù)反演結(jié)果

2 不同參數(shù)有限元計(jì)算分析

基于水管式沉降儀實(shí)測(cè)沉降、電磁沉降環(huán)實(shí)測(cè)沉降反演參數(shù)進(jìn)行三維有限元計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可以看出，2組參數(shù)計(jì)算得到的豎向位移分別為99.89、112.68cm，與實(shí)測(cè)值97.58、111.0cm量級(jí)一致，說明反演方法及計(jì)算模型可靠。由于梨園電站水管式沉降儀埋設(shè)滯后、測(cè)值偏小，大壩變形成果以電磁沉降環(huán)實(shí)測(cè)沉降反演計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。

表3 堆石體變形反演計(jì)算極值 cm

圖3為填筑至壩頂時(shí)最大斷面基于電磁沉降環(huán)實(shí)測(cè)沉降反演計(jì)算的位移等值線分布，圖4為堆石體變形矢量圖。由圖3、4可以看出，由于堆石體的泊松效應(yīng)，水平位移分布規(guī)律為上游堆石區(qū)位移指向上游，最大值為44.8 cm；下游堆石區(qū)位移指向下游，最大值為37.5 cm；最大豎向位移為112.68 cm，占?jí)胃叩?.73%，發(fā)生在1/2壩高處。

3 堆石壩變形綜合評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)外典型面板堆石壩竣工期和蓄水期的位移監(jiān)測(cè)極值見表4，沉降比與壩高分布見圖5。竣工期堆石體水平位移向上游極值為1.16～36 cm、向下游位移極值為27.7～57.0 cm，沉降量為37.2～223.0 cm，沉降比為0.38%～1.2%。

圖3 壩體最大剖面堆石體位移等值線（單位：cm）

圖4 堆石體變形矢量

梨園大壩堆石體實(shí)測(cè)最大水平位移向上游為13.2 cm、向下游為12.1 cm，實(shí)測(cè)沉降111.0 cm、沉降比0.72%，與相似壩高工程相比，均在統(tǒng)計(jì)范圍之內(nèi)，表明梨園水電站大壩變形工作性態(tài)正常。

圖5 典型面板堆石壩沉降比與壩高分布

壓縮模量是壩體變形性質(zhì)的最主要指標(biāo)，是衡量堆石填筑質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。典型工程壓縮模量及沉降量見表5，壓縮模量與沉降比關(guān)系曲線見圖6。與類似工程相比，梨園水電站大壩壓縮模量較大，沉降較小，說明該大壩堆石體的填筑質(zhì)量較好。

表5 典型堆石壩壓縮模量及沉降統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

表4 典型面板堆石壩位移監(jiān)測(cè)極值

通過對(duì)以梨園為代表的國(guó)內(nèi)外典型高面板堆石壩工程的分析研究，得到以下結(jié)論：

（1）利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行堆石體反演計(jì)算，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致，說明反演方法及計(jì)算模型可靠。

圖6 平均壓縮模量與沉降比關(guān)系

（2）總結(jié)國(guó)內(nèi)外類似工程的監(jiān)測(cè)成果，得到典型面板堆石壩堆石體沉降比的分布范圍。

（3）根據(jù)典型面板堆石壩堆石體壓縮模量分布，得到平均壓縮模量與沉降比的關(guān)系式，可據(jù)此對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

［1］ 賈金生，袁玉蘭，馬忠麗.中國(guó)與世界大壩建設(shè)情況［C］//水電2006.國(guó)際研討會(huì)論文集.昆明：中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2006:1205-1209.

［2］ 王巖，隋思漣，王愛青，等.數(shù)理統(tǒng)計(jì)與MATLAB工程數(shù)據(jù)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］ 殷宗澤，等.土工原理［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

［4］ 魏亮亮，劉紹川，楊傳俊，等.梨園水電站面板堆石壩填筑壩料試驗(yàn)報(bào)告［R］.長(zhǎng)沙：中國(guó)水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2013.

［5］ 鄧軍，聶成良，羅旭東，等.梨園水電站樞紐區(qū)安全監(jiān)測(cè)工程2012年度監(jiān)測(cè)報(bào)告［R］.昆明：梨園水電站樞紐區(qū)安全監(jiān)測(cè)工程“昆·長(zhǎng)”聯(lián)合體項(xiàng)目部，2012.