深厚覆蓋層上超硬巖快速填筑面板堆石壩三維應(yīng)力變形有限元數(shù)值模擬

吳江江，王勝利，張永華，呂濤（中國能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西西安　710054）

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深厚覆蓋層上超硬巖快速填筑面板堆石壩三維應(yīng)力變形有限元數(shù)值模擬

吳江江，王勝利，張永華，呂濤
（中國能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西西安710054）

ABSTRACT：The Practica1 Prob1ems met in the construction of the CFRD of Miaojiaban HydroPwer Station on the deeP overburden foundation inc1ude：1）The hardness of the dam fi11ing materia1 is very 1arge and the construction time is tight；2）the fi11ing quantity is 1arge，and 3）the fi11ing Process is comP1ex. In this PaPer，the three -dimensiona1 finite e1ement software ADINA is used to estab1ish the CFRD entity mode1 to simu1ate and ana1yze the entire Process of the raPid fi11ing of the dam，ca1cu1ate and ana1yze the deformation，disP1acement and stress changes at each stage of the CFCD fi11ing，and sett1ement and trend of stress changes after the water storage in the dam is comP1eted. The achievement of research in this PaPer has certain Practica1 va1ue to the raPid bui1ding of the dam on the deeP overburden foundation with suPer hard rocks and has certain reference va1ue to the simi1ar Projects，and Part of the resu1ts of the research has been a1ready used the the design and construction of Miaojiaban HydroPwer Station Project.

KEY W0RDS：CFRD；deeP overburden foundation；suPer hard rock；fi11ing dam raPid1y；ADINA

摘要：結(jié)合建在深厚覆蓋層上的苗家壩水電站面板堆石壩施工中遇到的實(shí)際問題——大壩填筑料硬度很大而且工期緊，填筑工程量大，填筑工序復(fù)雜。通過對(duì)大型非線性有限元通用軟件ADINA的改進(jìn)和開發(fā)，建立了面板堆石壩的三維數(shù)值模型，對(duì)大壩快速填筑壩的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算分析此面板堆石壩填筑到各個(gè)時(shí)期的位移和變形、大小主應(yīng)力的變化以及填筑完成蓄水以后壩體沉降和應(yīng)力的變化趨勢(shì)等。文章研究成果對(duì)在深厚覆蓋層地基上利用超硬巖堆石料進(jìn)行快速筑壩具有一定的實(shí)用價(jià)值，對(duì)類似的工程也有比較大的參考價(jià)值，部分研究成果已在該工程的設(shè)計(jì)和施工中得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩；深厚覆蓋層；超硬巖；快速筑壩；ADINA

隨著我國水利水電事業(yè)的發(fā)展，水工建筑物規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)相應(yīng)的技術(shù)要求也隨之不斷提高。例如在地質(zhì)條件差且復(fù)雜的深厚覆蓋層地基上建壩，滲漏、滲透穩(wěn)定、沉陷、不均勻沉陷及砂土液化等問題均較突出，對(duì)深厚覆蓋層的基礎(chǔ)處理、防滲技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)；隨著高壩的興建，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置與料區(qū)分布，縮短設(shè)計(jì)周期，降低工程造價(jià)也非常重要[1-2]。

苗家壩水電站位于甘肅省文縣境內(nèi)，壩址處為高山峽谷地區(qū)，山勢(shì)險(xiǎn)峻，河谷呈“V”型。河床覆蓋一般層厚為44～48 m，其中底部含塊碎石的砂卵礫石層厚5～10 m；河床覆蓋層表部水庫淤積的層厚2～4 m，上部含碎石塊石砂卵礫石的層厚6～20 m，中部含砂卵礫石層厚12～15 m，為河床覆蓋層的主體層。平水期水面寬約40 m，水位約為702 m。兩岸山體岸坡角的角度42°～45°，山體高度比河水位高出400 m。壩型為混凝土面板堆石壩，上游坡度1：1.4，下游局部的坡度1：1.35和1：1.4，下游綜合坡比為1：1.55，壩頂長度348.20 m，最大壩高為111 m，壩頂?shù)膶挾葹?0.0 m。壩頂高程805.0 m，壩頂處設(shè)置“L”型防浪墻與面板相接，高度為5.2 m，壩體填筑總量約377萬m3。壩址區(qū)河谷深切，在重力作用下導(dǎo)致巖體發(fā)生蠕動(dòng)變形和卸荷松弛，兩岸一定深度內(nèi)形成深度略淺于弱風(fēng)化帶的卸荷帶。受重力和孔隙水壓力的長期作用，巖體進(jìn)一步松弛、變形，形成危巖甚至深厚變形巖體。

1　研究方案

由于大壩面板澆筑分兩期施工：2010年7月中旬壩體小斷面填筑至780 m高程（頂寬20 m，下游綜合坡比1：1.5），一期面板澆筑在2010年9月1日開始動(dòng)工，10月中旬已完成至770 m高程，2010年11月底壩體全斷面填筑至801 m高程，2010年11月中旬大壩具備初期蓄水條件（770～801 m高程擠壓墻擋水），12月底大壩要具備發(fā)電的能力。方案二期面板通過降低水位來進(jìn)行施工，在同年11月底水發(fā)電系統(tǒng)和右岸排沙洞引要具備過流條件。根據(jù)施工情況算需，大壩施工期的沉降變形問題顯而易見，小斷面填筑完預(yù)留沉降時(shí)間的安排，變形安全等問題值得研究，據(jù)此，需要對(duì)大壩填筑的全過程進(jìn)行數(shù)值仿真，來計(jì)算大壩的變形情況，現(xiàn)擬從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究分析：

1）大壩小斷面填筑至780 m高程時(shí)，壩體的沉降，以及沉降穩(wěn)定所需的時(shí)間。

2）壩后填筑至780 m高程時(shí)，大壩的整體沉降。

3）全斷面填筑完（801 m）時(shí)，大壩的總沉降以及大壩蓄水后的沉降穩(wěn)定分析。

4）計(jì)算壩體變形對(duì)防滲墻的影響。

圖1　大壩分期填筑典型斷面示意圖Flg. 1 Schematlc dlagram of a typlcal cross sectlon of dam fllllng stages

2　ADINA軟件及其求解過程

ADINA（automatic dynamic incrementa1 non -1inear ana1ysis）是一種動(dòng)力非線性有限元分析軟件。ADINA除了求解線性問題之外，同時(shí)也具備分析非線性問題的功能，包括涉及結(jié)構(gòu)場之外的多種多場耦合問題和求解結(jié)構(gòu)。在ADINA軟件中，整個(gè)求解過程一般可分為4階段：

1）有限元網(wǎng)格和單元數(shù)據(jù)的輸入。

2）常數(shù)結(jié)構(gòu)矩陣裝配。

3）載荷矢量的計(jì)算。

4）逐步求解。

3　有限元計(jì)算模型

3.1模型的建立

模型包含了面板、墊層、壩體、擠壓墻、防滲墻、壩基覆蓋層、過渡層、地基、山巖。

模型選取范圍：計(jì)算模型取兩岸壩肩向左右岸各自延伸30 m，沿壩踵向上游和壩址向下游各自取120 m，過渡層取4 m，河床覆蓋層取42 m，巖取100 m，寬墊層取3 m，防滲墻1.2 m×42 m，寬面板和擠壓墻分別取1.5 m。

計(jì)算模型的坐標(biāo)系定義：整體模型χ、y、z的值為408.2 m×559.75 m×243 m。從左岸到右岸為χ軸正方向，從上游指向下游為y軸正方向，從下向上為z軸正方向。

計(jì)算網(wǎng)格圖見圖1、圖2，計(jì)算模型總共剖分為116 517個(gè)單元，120 410個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2　有限元計(jì)算模型整體網(wǎng)格剖分圖Flg. 2 The overall grld partltlon drawlng of the flnlte element computatlon model

圖3　有限元計(jì)算模型局部壩體網(wǎng)格剖分圖Flg. 3 The partlal dam grld partltlon drawlng of the flnlte element computatlon mode

3.2材料本構(gòu)模型

鄧肯E-B雙曲線模型可以較好地模擬堆石的變形性狀[3-7]；而且鄧肯E-B雙曲線模型參數(shù)測定有相當(dāng)成熟的經(jīng)驗(yàn)，測試較為簡單，因而在混凝上面板堆石壩的計(jì)算中被廣泛地應(yīng)用。但是，ADINA8.5軟件中沒有直接提供鄧肯E-B雙曲線材料模型，因此本文通過對(duì)ADINA8.5中提供的自定義材料模型（user-suPP1ied）進(jìn)行二次開發(fā)，加入了鄧肯E-B雙曲線材料模型。壩體材料就選用鄧肯E-B雙曲線材料模型，其他材料選用線彈性模型，模型單元組選用多孔介質(zhì)材料（Porous media），把覆蓋層上下游側(cè)表面和壩體上下游表面設(shè)置為固結(jié)排水表面，最后計(jì)算整個(gè)壩體填筑完后分蓄水及不蓄水情況下沉降穩(wěn)定所需的時(shí)間。

3.3初始地應(yīng)力場與邊界條件

在ADINA軟件中，按照壩體施工之前的實(shí)際情況，模擬加載計(jì)算一次所得到的應(yīng)力場作為初始地應(yīng)力場。采用單元生死來模擬施工過程。擠壓墻與面板間的相互作用采用接觸單元。在模型的底部整個(gè)面施加χ、y、z三向的約束，在模型的左右岸外側(cè)施加χ向約束，在模型的上下游側(cè)面施加y向的約束；堰體基底面及上、下游圍堰側(cè)面按不透水邊界考慮（通過此類面的流量為零），蓄水期壩體最大水頭高程為801 m。

3.4計(jì)算參數(shù)

根據(jù)已有基礎(chǔ)資料，綜合一般工程經(jīng)驗(yàn)[8-10]，得出分析所需的各種計(jì)算參數(shù)。壩采用3B料，計(jì)算參數(shù)見表1。其余材料計(jì)算參數(shù)見表2。

表1　壩體鄧肯E-B雙曲線材料模型計(jì)算參數(shù)Tab. 1 Computatlon parameters of Dam Duncan E-B hyperbollc curve materlal model

表2　材料模型計(jì)算參數(shù)Tab. 2 Materlal model computatlon parameter

4　計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)際的施工順序，分別對(duì)小斷面填筑至780 m高程時(shí)（見圖3），全斷面填筑至780 m高程時(shí)（見圖4），以及施工完成以后3個(gè)階段進(jìn)行分析，為了說明問題繪出各個(gè)階段不同時(shí)間壩體的典型斷面（χ＝221 m）的垂直向位移，水平位移，以及大小主應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析：

圖4　小斷面填筑至780 m高程時(shí)壩體的典型斷面χ＝221 m處水平向位移等值線（m）Flg. 4 The horlzontal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 m when the llght sectlon ls fllled to 780 m elevatlon（m）

圖5　小斷面填筑至780 m高程6個(gè)月后壩體的典型斷面χ＝221 m處垂直向位移等值線（m）Flg. 5 The vertlcal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 m 6 months after the llght sectlon ls fllled to 780 m elevatlon（m）

圖6　小斷面填筑至780 m后大壩沉降趨勢(shì)圖Flg. 6 The settlement trend chart of the dam when the llght sectlon ls fllled to 780 m elevatlon

圖7　小斷面填筑至780 m后大壩水平位移趨勢(shì)圖Flg. 7 The horlzontal dlsplacement trend chart of the dam when the llght sectlon ls fllled to 780 m elevatlon

由圖4～圖7可以得知當(dāng)小斷面填筑至780 m時(shí)，大壩的沉降量為0.5488m，沉降一個(gè)月后到0.823 2 m，最終沉降基本趨于穩(wěn)定，水平位移最大值在上游為0.143 7 m，2個(gè)月后也基本趨于穩(wěn)定，如果工期緊張，一般建議預(yù)留一個(gè)月的沉降期再進(jìn)行面板施工比較合適。

由圖8～圖11可以看出大壩填筑完成之后沒有蓄水情況下，大壩的竣工期沉降值為0.651 8 m，2個(gè)月后為1 m并開始趨于穩(wěn)定，水平位移在2個(gè)月后也基本趨于穩(wěn)定，一般建議大壩施工完2個(gè)月后進(jìn)行二期面板施工。

圖8　大壩竣工期壩體典型斷面χ＝221 m處垂直向位移等值線（m）Flg. 8 The vertlcal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 when the dam ls completed（m）

圖9　大壩竣工期壩體典型斷面χ＝221m處水平向位移等值線（m）Flg. 9 The horlzontal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 when the dam ls completed（m）

圖10　大壩完成以后沉降隨時(shí)間變化圖Flg. 10 The settlement change wlth tlme after the dam ls completed

圖11　大壩完成以后水平位移隨時(shí)間變化圖Flg. 11 The horlzontal dlsplacement change wlth tlme after the dam ls completed

圖12　大壩竣工后剛蓄水時(shí)壩體典型斷面χ＝221 m處垂直向位移等值線（m）Flg. 12 The vertlcal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 when water beglns to be stored just after the dam ls completed（m）

圖13　大壩竣工后剛蓄水時(shí)壩體典型斷面χ＝221 m處水平向位移等值線（m）Flg. 13 The horlzontal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 when water beglns to be stored just after the dam ls completed（m）

圖14　大壩蓄水后沉降量隨時(shí)間變化圖Flg. 14 The settlement change wlth tlme after water storage

圖15　大壩蓄水后水平位移隨時(shí)間變化圖Flg. 15 The horlzontal dlsplacement change wlth tlme after water storage

由圖12～圖15可以看出當(dāng)大壩施工完就馬上蓄水，壩體出現(xiàn)的最大沉降值為0.822 7 m，2個(gè)月后為1.2 m并趨于平穩(wěn)，在庫水位壓力的作用下水平位移最大值出現(xiàn)在下游端，為0.193 m，位移3個(gè)月后趨于穩(wěn)定，所以如果大壩通過降低水位進(jìn)行二期面板施工，預(yù)留3個(gè)月的沉降時(shí)間比較合理。

由表3可知，壩體在填筑完成以后的大小主應(yīng)力的最大值分別為1.76 MPa、0.79 MPa；壩體在蓄水期的大小主應(yīng)力的最大值分別為1.82 MPa、0.83 MPa，均發(fā)生在壩體靠近下部部位，與一般堆石壩的應(yīng)力分布規(guī)律是一致，也說明施工方案的可行性。

表3　壩體應(yīng)力極值Tab. 3 The extreme value of stress of the dam body

大壩防滲墻處的水平位移到沉降穩(wěn)定后的最大值大約為1 cm，大壩的水平向位移不會(huì)破壞防滲墻的安全和穩(wěn)定。

5　結(jié)語

文章通過對(duì)ADINA中提供的自定義材料模型中加入鄧肯E-B雙曲線材料模型的開發(fā)，計(jì)算分析苗家壩水電站面板堆石壩面板分兩期施工過程中各個(gè)階段壩體的沉降與位移、應(yīng)力、以及沉降穩(wěn)定所需要的時(shí)間等，得出大壩在小斷面填筑到780 m高程以后至少需要一個(gè)月的沉降穩(wěn)定時(shí)間，剛填筑完就開始一期面板的方案需要謹(jǐn)慎考慮，整體大壩填筑完以后，二期面板是在大壩降低水位后再進(jìn)行施工的，至少需要2個(gè)月的沉降時(shí)間。如果情況允許，最好是3個(gè)月，壩體的應(yīng)力極值大小和分布同一般堆石壩的應(yīng)力分布規(guī)律是一致的。

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吳江江（1986—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗こ逃?jì)算。

（編輯李沈）

作者簡介：

收稿日期：2015-06-16。

文章編號(hào)：1674-3814（2016）01-0107-05
Research on Fllllng Dam Rapldly wlth Super Hard Rock ln Deep 0verburden Foundatlon for CFRD
WU Jiangjiang，WANG Sheng1i，ZHANG Yonghua，Lü Tao（Shaanxi E1ectric Power Design Institute，Xi’an 710054，Shaanxi，China）

中圖分類號(hào)：TV641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A