某混凝土面板堆石壩數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析

宋志榮

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概述

對(duì)于混凝土面板堆石壩而言，壩體的滲流狀況和應(yīng)力變形對(duì)大壩安全運(yùn)行有著重要的影響作用。近些年來混凝土面板堆石壩以自身的優(yōu)點(diǎn)得到較快發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1]，天生橋和水布埡[2]等高混凝土面板堆石壩不斷建成，壩體的安全也越來越受工程界與社會(huì)的關(guān)注，使其壩體應(yīng)力變形及滲流成為眾多相關(guān)學(xué)者的研究課題[3-4]。然而相關(guān)研究較多僅是進(jìn)行了理論計(jì)算分析[5-6]，缺乏對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)資料，更是缺乏連續(xù)完整的監(jiān)測(cè)資料，因此未進(jìn)行驗(yàn)證分析。鑒此，本文圍繞著某混凝土面板堆石壩施工完建期及蓄水期開展了有限元模擬計(jì)算，獲取了大壩應(yīng)力變形規(guī)律和壩體滲流情況，并結(jié)合大壩連續(xù)十幾年完整的安全監(jiān)測(cè)資料，將理論計(jì)算結(jié)果與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗(yàn)證分析，有效地將理論計(jì)算與大壩實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)緊密的聯(lián)系起來。通過進(jìn)一步了解各工況下面板堆石壩應(yīng)力變形規(guī)律[7-8]，為大壩后期安全運(yùn)行及維護(hù)提供指導(dǎo)，以確保大壩保持良好的運(yùn)行性態(tài)。

2 工程概況

某水庫位于重慶市開縣境內(nèi)，壩址處于長江支流小江的二級(jí)支流桃溪河流域，是以供水與灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用效益的水利樞紐工程。水庫大壩為混凝土面板堆石壩，庫容總量為10 240萬m3，屬于大(2)型水利樞紐工程，河床建基面高程350 m,最大壩高103.80 m，壩軸線長243 m，壩頂寬8 m。為了掌握大壩的運(yùn)行性態(tài)，同時(shí)對(duì)大壩安全鑒定提供科學(xué)依據(jù)，大壩布置了壩體變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)及滲流監(jiān)測(cè)等安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[9]。在壩體及壩基處共安裝了16支滲壓計(jì)，對(duì)壩體壩基進(jìn)行了滲流監(jiān)測(cè)。大壩采用一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝沉降儀和水平位移計(jì)結(jié)合的方式，對(duì)大壩的沉降和水平位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在不同斷面及不同高程處共安裝了10支沉降儀和10支水平位移計(jì)?；炷撩姘鍖?duì)大壩的防滲至關(guān)重要，面板的好壞直接關(guān)系到壩體的安全，為監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部及面板的應(yīng)力變形情況，在混凝土面板上安裝了10支兩向應(yīng)力計(jì)、2支無應(yīng)力計(jì)和5支傾斜儀。其最大壩高處橫斷面壩體材料分區(qū)情況及部分監(jiān)測(cè)儀器布置如圖1所示。

圖1 最大壩高處壩體橫斷面示意(單位：m)

3 有限元計(jì)算

3.1 滲流計(jì)算模型

根據(jù)工程地質(zhì)水文勘察資料，地下水以裂隙水和

孔隙水賦存于泥與砂巖中，屬于透水層和隔水層相間分布的多含水層水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，壩址區(qū)存在少量的斷層，且規(guī)模較小，斷裂不發(fā)育，根據(jù)巖體滲透性，模型中斷裂巖體用分區(qū)等效連續(xù)介質(zhì)模擬[10]。本文對(duì)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位3種工況下進(jìn)行滲流模擬計(jì)算[11]，計(jì)算采用二維穩(wěn)定滲流有限元法，有限元模型網(wǎng)格劃分采用4節(jié)點(diǎn)等參單元三角形網(wǎng)格，對(duì)主要的防滲措施(混凝土面板、防滲帷幕等)進(jìn)行加密網(wǎng)格單元處理。該模型經(jīng)網(wǎng)格劃分后，共生成2 961個(gè)單元，1 586個(gè)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)網(wǎng)格劃分后滲流計(jì)算模型如圖2所示，筑壩材料的滲透系數(shù)見表1。

表1 不同區(qū)域筑壩材料滲透系數(shù) m/s

圖2 有限元滲流計(jì)算模型示意

3.2 應(yīng)力變形計(jì)算模型

深覆蓋層的混凝土面板堆石壩受力情況較為復(fù)雜，為了解壩體壩基的應(yīng)力變形是否在合理范圍內(nèi)，更加明確壩體應(yīng)力變形變化規(guī)律和分布情況，本文對(duì)面板堆石壩進(jìn)行二維有限元模擬計(jì)算，采用的堆石體模型為鄧肯E-B模型；同時(shí)，假定堆石體為非線性模型，混凝土面板為線彈性模型。在模型建立過程中，有效模擬了大壩的施工過程，采用手動(dòng)方式對(duì)模型有限元網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格為四邊形等參單元，模型經(jīng)網(wǎng)格劃分后，生成1 988個(gè)單元，1 657個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中包含135個(gè)接觸面單元，應(yīng)力變形計(jì)算模型及有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示(坐標(biāo)系規(guī)定如下：順?biāo)鞣较蛑赶蛳掠螢閄軸正方向，豎直向上為Y軸正方向)。

圖3 有限元應(yīng)力變形計(jì)算模型示意

對(duì)于堆石體材料采用鄧肯E-B模型，該模型以切線楊氏模量Et和切線體積變形模量Bt兩個(gè)基本量為計(jì)算參數(shù)[12]。其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中Pa為大氣壓；K和Kb分別為楊氏模量系數(shù)和體積模量系數(shù)；n和m為切線楊氏模量Et和切線體積變形模量Bt隨圍壓σ3增加而增加的冪次；Rf為破壞比；Sl為應(yīng)力水平，其表達(dá)式為：

(3)

式中c、φ為抗剪指標(biāo)。

對(duì)于卸載的情況，回彈模量由下式計(jì)算：

(4)

式中Kur為回彈模量系數(shù)。

本文應(yīng)力變形計(jì)算材料參數(shù)K、n、Rf、Kb、Kur、m、c和φ由地勘資料及三軸試驗(yàn)確定，其鄧肯E-B模型材料參數(shù)見表2?；炷撩姘搴椭喊灏淳€彈性材料考慮，其材料參數(shù)參照設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)(C25)查《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13](SL 191—2008)可知，彈性模量E為2.8×107kPa，泊松比ν為0.167，其容重均取24 kN/m3，抗拉強(qiáng)度為1 270 kPa。

表2 應(yīng)力變形計(jì)算參數(shù)表(鄧肯E-B模型)

3.3 面板—墊層接觸面

在混凝土面板堆石壩中，面板為混凝土材料，墊層區(qū)材料為灰?guī)r，兩者間的剛度存在較大差異，大壩受荷載作用時(shí)，此接觸面常發(fā)生剪切滑移。為了能夠較好地反映出面板與墊層料兩者之間的相互作用，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，在面板與墊層間接觸面設(shè)置接觸單元，而Goodman單元能夠較好地模擬接觸面上的錯(cuò)動(dòng)滑移或張開，且能夠考慮到接觸面變形的非線性特性[14]，故本文采用無厚度Goodman接觸面4節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

在Goodman單元進(jìn)行計(jì)算中，接觸面上的應(yīng)力和相對(duì)位移的關(guān)系為：

[σ]=[K0][ω]

(5)

二維分析中，[σ]=[τyxσyy]T為接觸面兩個(gè)方向的應(yīng)力，[ω]=[ΔμΔν]T為接觸面相對(duì)位移， [K0]為接觸面的本構(gòu)矩陣：

(6)

式中Kyx為切向勁度系數(shù)；Kyy為法向勁度系數(shù)。

接觸面計(jì)算參數(shù)參考相關(guān)工程及經(jīng)驗(yàn)確定，計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 接觸面計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 滲流計(jì)算結(jié)果分析

大壩有限元滲流計(jì)算工況分為3種工況水位，具體工況水位見表4。

表4 滲流計(jì)算工況水位及對(duì)應(yīng)滲流量

通過對(duì)3種工況水位下的滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，各工況下水壓分布規(guī)律較為相似，但校核洪水位條件下的水頭差最大，且浸潤線位置最高，因此，本文僅以校核洪水位工況為例進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析，其水壓分布如圖4所示。在混凝土面板堆石壩中，混凝土面板和防滲帷幕起著最重要的防滲作用[15]。壩體浸潤線總體較低，在混凝土面板內(nèi)由上游水位高程沿面板迅速將至約下游水位高程處，壩體下游浸潤線位置接近排水棱體的底部高程，且浸潤線較平緩，出逸處在下游水位高程附近，壩體內(nèi)水頭損失極小?；炷撩姘搴歪∧还酀{消散了極大部分水頭差，混凝土面板后下游的壩體大部分處于疏干狀態(tài)，表明混凝土面板和防滲帷幕承擔(dān)了上下游水頭差。所有計(jì)算工況下滲透水流均通過弱透水的混凝土面板、防滲帷幕及壩基后，幾乎所有滲流量均通過排水棱體向下游流出。其單寬滲流量和年總滲流量見表4所示，單寬滲流量約為2.77 m3/(d·m)，年總滲流量約為151 151.98 m3，滲流量與水頭差呈正相關(guān)趨勢(shì)，即使校核洪水位下的滲流量最大，但相對(duì)總庫容而言還是較小，僅占總庫容的0.15%。通過滲流監(jiān)測(cè)資料得知，水庫水位運(yùn)行至449.56 m時(shí)，量水堰計(jì)觀測(cè)滲流量為5.01 L/s,相當(dāng)于單寬流量為2.90 m3/(d·m),與理論計(jì)算結(jié)果較為相近，表明混凝土面板和防滲帷幕灌漿的防滲效果良好。

圖4 校核洪水位下壩體壩基水壓分布示意(單位：m)

4.2 應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算中對(duì)大壩采用有限元分級(jí)加載方式模擬大壩施工過程，先填筑壩體，后澆筑面板，再蓄水至正常蓄水位過程采用單獨(dú)一級(jí)施加荷載，并考慮了大壩的工后應(yīng)變情況，整個(gè)過程分為17級(jí)加載。其中，1～14級(jí)模擬壩體筑壩過程，第1級(jí)為壩基覆蓋層(由于壩基為天然地基土層，地基抗變形能力遠(yuǎn)大于壩體，因此在模擬計(jì)算中不考慮地基在受自重荷載作用下的變形)，2～14級(jí)模擬壩體填筑施工；第15級(jí)模擬混凝土面板澆筑施工；第16級(jí)模擬蓄水至正常蓄水位高程450.00 m；第17級(jí)加載為模擬水庫大壩蓄水后壩體的工后應(yīng)變，且水平工后應(yīng)變?yōu)?0.1%，豎向工后應(yīng)變?yōu)?0.3%。

從圖5竣工期a及蓄水期c壩體沉降等值線圖可看出，不同時(shí)期壩體沉降均呈上下游對(duì)稱分布，且最大沉降量位于約2/3壩高處。壩體在竣工期和蓄水期的最大沉降量分別為1.044 m、1.116 m(見表5)，分別占最大壩高的1.01%、1.08%，且蓄水至正常蓄水位后的壩體最大沉降量比施工完建期的最大沉降量增大約7.2 cm。

從圖5竣工期b及蓄水期d壩體水平位移等值線圖可看出，不同時(shí)期壩體水平位移也均呈對(duì)稱分布，且上游壩體向上游移動(dòng)，下游壩體向下游移動(dòng)，水平位移最大值均位于約1/3壩高處。壩體在施工完建期向上游、下游水平位移最大值分別為0.241 m、0.363 m；壩體在蓄水期向上、下游水平位移最大值分別為0.107 m、0.397 m，向上游水平位移比竣工期減少0.134 m，向下游水平位移增大0.034 m,蓄水后向上游水平位移出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，變化情況均在合理范圍內(nèi)。

a 竣工期沉降等值線

b 竣工期水平位移等值線

c 蓄水期沉降等值線

圖5 竣工期及蓄水期壩體沉降、水平位移等值線示意(單位：m)

通過原型觀測(cè)資料得知，壩體在施工完建期與蓄水期的最大沉降分別為1.081 m、1.205 m，且不同時(shí)期壩體水平位移監(jiān)測(cè)值與理論計(jì)算值的差值均小于0.1 m，與理論計(jì)算較為相近，表明不同時(shí)期壩體沉降和水平位移分布規(guī)律與監(jiān)測(cè)情況基本吻合，理論計(jì)算值比實(shí)際監(jiān)測(cè)值較為相近，壩體變形規(guī)律也符合面板堆石壩的一般變形規(guī)律。

計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力值均為單元形心點(diǎn)之值，壓應(yīng)力為正值，拉應(yīng)力為負(fù)值。從圖6可看出，施工完建期和蓄水期的壩體大、小主應(yīng)力均勻分布，且分布規(guī)律相似，壩體內(nèi)沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)，但在趾板處出現(xiàn)小部分的應(yīng)力集中現(xiàn)象，趾板處最大壓應(yīng)力值172.921 kPa遠(yuǎn)小于C25等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度，故不構(gòu)成破壞作用。竣工期的壩體應(yīng)力主要受自重荷載的作用，竣工期的壩體大主應(yīng)力最大值為1 502.34 kPa(見表5)，小主應(yīng)力最大值為481.871 kPa，均位于壩體底部中間區(qū)域。水庫蓄水后，壩體受水壓力和自重荷載的共同作用，壩體上游側(cè)部分堆石區(qū)的大小主應(yīng)力受水壓力影響顯著，大小主應(yīng)力值均出現(xiàn)增大現(xiàn)象。蓄水期壩體的大主應(yīng)力最大值1 630.297 kPa，比施工期壩體的大主應(yīng)力增加約127.957 kPa；小主應(yīng)力最大值為557.937 kPa，比施工期壩體的小主應(yīng)力增加約76.066 kPa。蓄水后趾板的小主應(yīng)力顯著減小，未出現(xiàn)突變區(qū)域。此理論計(jì)算結(jié)果與其他類似工程[16-17]計(jì)算結(jié)果相似，且與大壩安全監(jiān)測(cè)值較為接近,均在允許范圍內(nèi)，可見壩體應(yīng)力變形有限元理論計(jì)算結(jié)果基本合理。

表5 堆石體的位移和應(yīng)力最大值

a 竣工期大主應(yīng)力等值線

b 竣工期小主應(yīng)力等值線

c 蓄水期大主應(yīng)力等值線

d 蓄水期小主應(yīng)力等值線

5 結(jié)語

基于非線性有限元法對(duì)某混凝土面板堆石壩在不同工況下的滲流場(chǎng)及應(yīng)力變形場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算[18]，將計(jì)算結(jié)果結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出以下主要結(jié)論：

1) 壩體的滲流、應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果均在合理的范圍內(nèi)，其變化和分布均符合面板堆石壩的一般規(guī)律。

2) 水庫蓄水后大壩的年總滲流量占總庫容的0.15%左右，而壩體的最大沉降量占?jí)胃叩?.08%左右，由此表明壩體的滲流量與沉降量均較小，大壩處于安全狀態(tài)。

3) 理論計(jì)算結(jié)果與原型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，兩者間的變化和分布規(guī)律也基本一致，能夠有效地對(duì)大壩滲流及應(yīng)力變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

4) 理論計(jì)算結(jié)果對(duì)該混凝土面板堆石壩水庫的后期運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)大壩安全鑒定提供有力的科學(xué)依據(jù)和參考價(jià)值。