高面板堆石壩面板脫空影響因素分析

閆尚龍 朱 晟 朱昌杰

（1.河海大學(xué) 水工結(jié)構(gòu)研究所，南京 210098；2.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 寧波 315100）

自20世紀70年代初重型振動碾壓設(shè)備成功應(yīng)用于壩工建設(shè)，再加上混凝土面板滑模澆注技術(shù)的成熟，使得混凝土面板堆石壩得到了迅速推廣，成為當(dāng)今世界擁有相當(dāng)競爭力的壩型.同時，近年來隨著混凝土面板堆石壩壩高的不斷增加，其在施工過程中的壩體受力變形狀況更加復(fù)雜，面板脫空問題等技術(shù)難題也備受關(guān)注［1］.天生橋一級電站面板堆石壩在開始運行后就出現(xiàn)了面板與墊層間脫空的現(xiàn)象，面板脫空導(dǎo)致面板在局部范圍內(nèi)成為一端受約束的懸臂梁，最終形成明顯的反彎點，產(chǎn)生較大的彎矩使得面板的應(yīng)力狀態(tài)迅速惡化從而導(dǎo)致面板表面出現(xiàn)裂縫［2－4］.目前，面板脫空的成因以及影響已成為高面板堆石壩中的一個重要研究課題.

1 工程背景以及數(shù)值模型建立

云南某混凝土面板堆石壩初擬方案最大壩高275.5m，壩頂寬14.0m，主壩壩體從上游到下游分為混凝土防滲面板、墊層、過渡層、堆石區(qū)、下游坡面干砌石護坡以及壩基排水.壩體上游坡坡比1∶1.5，下游坡坡比為1∶1.5.面板采用變厚混凝土面板，厚度從40cm漸變至135cm；混凝土面板下游設(shè)水平寬5m的墊層料和水平寬6m的過渡料.在壩體頂部壩高1／4范圍內(nèi)設(shè)增模區(qū).壩基開挖后經(jīng)處理地質(zhì)現(xiàn)象基本良好.

考慮到壩體填筑高程較高，壩體荷載采用逐級加載的模擬方式.按每期壩體填筑高程的順序，整個壩體及面板共分49級來模擬，如圖1所示.

圖1 壩體填筑加載設(shè)計（高程單位：m）

以河床典型剖面為基準，采用三維自動剖分程序剖分壩體單元，沿壩軸線方向共設(shè)定了73個計算剖面進行剖分，網(wǎng)格剖分以8結(jié)點六面體空間等參單元為主，局部輔以6結(jié)點五面體單元，整個壩體結(jié)構(gòu)共剖分得到總結(jié)點數(shù)19 707個，總單元數(shù)16 117個，其中實體單元14 166個，接觸面單元955個，豎縫單元932個，周邊縫單元64個，典型剖面有限元網(wǎng)格如圖2～3所示.

圖2 大壩剖分網(wǎng)格立視圖

圖3 大壩典型橫斷面有限元網(wǎng)格

數(shù)值模擬時，將混凝土面板視為線彈性材料，其材料參數(shù)為E＝26GPa，μ＝0.27，ρ＝2 500kg／m3，其中，E為材料彈性模量，μ為材料泊松比，ρ為材料密度.堆石料是面板壩工程的主體，其變形性態(tài)的合理模擬決定了對整個面板壩結(jié)構(gòu)變形性態(tài)預(yù)測的準確性和可靠性.筑壩堆石料是非線性材料，變形不僅隨荷載的大小而變化，還與加荷的應(yīng)力路徑相關(guān)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)明顯的非線性特性.鄧肯－張模型公式簡單，參數(shù)物理意義明確.三軸試驗研究結(jié)果表明，其對土體應(yīng)力應(yīng)變非線性特性亦能較好地反映.因此堆石料、墊層和過渡料等非線性材料采用工程常用的鄧肯E－B模型模擬，壩體各分區(qū)填筑材料的參數(shù)根據(jù)室內(nèi)三軸試驗結(jié)果確定，各分區(qū)材料參數(shù)見表1.面板堆石壩中由于混凝土面板和墊層料的剛度差異較大，為模擬兩種材料間的相互作用，在有限元分析時，設(shè)置Goodman接觸面單元處理這種位移不協(xié)調(diào).

表1 大壩各分區(qū)材料鄧肯E－B模型參數(shù)

2 面板脫空的影響因素分析

由于該面板堆石壩壩體高度達到275m，同時面板及壩體填筑分期比較復(fù)雜，因此本文以下均以Ⅰ期面板作為研究對象來詳細探究影響面板脫空問題的3種因素.同時，研究采用控制變量法即控制其他條件不變的情況下，研究單一因素對面板脫空的影響.

2.1 已填筑壩體超高對面板脫空的影響

根據(jù)工程設(shè)計方案，預(yù)沉降時間為6個月，擬定Ⅱ期面板澆筑前填筑堆石體超高（堆石體相對Ⅰ期面板超高）分別為20m、40m、60m3種方案.分析堆石體超高對Ⅰ期面板脫空的影響，如圖4所示.通過壩體三維有限元仿真，模擬壩體的填筑、度汛過程.分別分析了3種超高方案對Ⅰ期面板脫空的影響，具體結(jié)果見表2.

圖4 面板超高方案

表2 不同壩體超高方案下Ⅰ期面板脫空值

圖5～7分別為已填筑壩體超高20m、40m、60m時Ⅰ期壩體水平向變形云圖.壩體在填筑過程中由于泊松效應(yīng)，堆石體存在著向外鼓脹的現(xiàn)象，致使Ⅰ期面板頂部均產(chǎn)生一定程度的脫空現(xiàn)象，且隨著已填筑壩體超高的增加，面板頂部的張開量逐漸減小，面板的脫空深度也得到了顯著改善.已填筑壩體超高20 m時Ⅰ期面板的張開量為2.53cm，脫空深度達18.4 m，當(dāng)壩體填筑超高為60m時，Ⅰ期面板張開量減為1.57cm，脫空深度銳減為5.1m.可以看出，增加已填筑壩體超高可以有效地減小面板脫空.因此，在實際的工程施工中，增加已填筑壩體的超高是可取的，應(yīng)結(jié)合實際工程的施工方案確定具體的超高方案.

圖5 已填筑壩體超高20m時Ⅰ期壩體變形云圖

圖6 已填筑壩體超高40m時Ⅰ期壩體變形云圖

圖7 已填筑壩體超高60m時Ⅰ期壩體變形云圖

2.2 壩體預(yù)留沉降時間對面板脫空的影響

根據(jù)該面板堆石壩的施工進度安排，研究Ⅰ期面板在預(yù)沉降時間分別為3個月、6個月、9個月時的面板脫空情況（Ⅱ期面板澆筑前）.模擬壩體的填筑、度汛過程，計算分析了3個預(yù)沉降方案對Ⅰ期面板脫空的影響，具體結(jié)果見表3.

圖8～10分別為預(yù)沉降時間3個月、6個月和9個月時Ⅰ期壩體水平向變形云圖.隨著預(yù)沉降時間的增加，面板澆筑前堆石體由于泊松效應(yīng)向外鼓脹的量值逐漸趨于穩(wěn)定，這有助于減小面板頂部的脫空程度.在預(yù)沉降時間為3個月時Ⅰ期面板存在2.78cm的張開量，脫空深度達22.7m；而預(yù)沉降時間為6個月時，Ⅰ期面板張開量減為1.08cm，脫空深度銳減為3.7m.可以看出，延長壩體的預(yù)沉降時間可有效地減小面板脫空的程度，同時壩體的預(yù)沉降時間越長越有利于減少面板脫空程度，但預(yù)沉降時間超過6個月時，預(yù)沉降時間對面板脫空的影響越來越小，因此過分延長預(yù)沉降時間是不可取的，在實際工程中建議可結(jié)合具體工程的實際施工進度綜合確定預(yù)沉降時間.

圖8 預(yù)沉降3個月時Ⅰ期壩體變形云圖

圖9 預(yù)沉降6個月時Ⅰ期壩體變形云圖

圖10 預(yù)沉降9個月時Ⅰ期壩體變形云圖

2.3 壩體臨時斷面充水預(yù)壓對面板脫空的影響

在預(yù)沉降時間6個月的方案下研究壩體臨時斷面充水預(yù)壓對Ⅰ期面板脫空的影響，具體結(jié)果見表4.圖11～12分別為采用和不采用臨時斷面充水預(yù)壓時的壩體水平向變形云圖.

表4 壩體是否采取臨時斷面充水預(yù)壓時Ⅰ期面板脫空值

圖11 壩體臨時斷面未充水預(yù)壓Ⅰ期壩體變形云圖

圖12 壩體臨時斷面充水預(yù)壓后Ⅰ期壩體變形云圖

當(dāng)采用壩體臨時斷面充水預(yù)壓時，壩體進一步趨于密實，壩體模量有一定程度的增大，壩體填筑過程中向外鼓脹量值相比未采用充水預(yù)壓時有所減小，這有助于減小面板脫空的程度.結(jié)果表明，未采取壩體臨時斷面充水預(yù)壓時，面板張開量值為1.62cm，脫空深度為8.8m，采用充水預(yù)壓后，其張開量值減為1.57cm，脫空值減為5.1m，面板脫空得到一定程度的改善.分析脫空值大小也可以看出，壩體臨時斷面充水預(yù)壓對面板脫空的影響不是很明顯，因此，在實際的工程中，可以結(jié)合施工導(dǎo)流度汛安排，把壩體臨時斷面充水預(yù)壓作為改善面板的脫空的一個輔助措施實施.

3 結(jié) 論

本文以云南某高面板堆石壩為例，通過三維非線性有限元仿真計算詳細模擬其施工程序和蓄水過程，從壩體填筑超高、壩體預(yù)留沉降時間、壩體臨時斷面充水預(yù)壓3個主要方面探究其對面板脫空的影響.結(jié)果表明：從改善面板脫空的角度而言，增加壩體預(yù)留沉降時間方案的改善效果最顯著，但當(dāng)預(yù)留沉降時間超過6個月時面板脫空的減小程度有限，應(yīng)結(jié)合實際工程情況合理確定預(yù)留沉降時間；增加已填筑壩體超高方案的改善效果其次，建議擬定分期施工方案時予以考慮；壩體臨時斷面充水預(yù)壓對面板脫空的改善有限，可作為減小面板脫空的輔助措施.

［1］ 沈長松，李艷麗，鄭福壽.面板堆石壩面板脫空現(xiàn)象成因分析及預(yù)防措施［J］.河海大學(xué)學(xué)報，2006，34（6）：635－639.

［2］ 趙魁芝，李國英，沈珠江.天生橋混凝土面板堆石壩面板原型觀測資料反饋分析［J］.水利水運科學(xué)研究，2001，（1）：38－44.

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