壩下巖埂對混凝土防滲面板應(yīng)力應(yīng)變性狀的影響

鳳不群，馬品非

（1.新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責任公司，新疆烏魯木齊830000；2.塔城地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆塔城834700）

壩下巖埂對混凝土防滲面板應(yīng)力應(yīng)變性狀的影響

鳳不群1，馬品非2

（1.新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責任公司，新疆烏魯木齊830000；2.塔城地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆塔城834700）

通過瑪熱勒蘇混凝土面板堆石壩的有限元分析計算，重點研究在蓄水條件下，壩下巖埂不同的處理方案對面板應(yīng)力應(yīng)變性狀的影響，獲得了不同巖埂開挖形態(tài)條件下的應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果。計算結(jié)果表明，受巖埂開挖形態(tài)的影響，各開挖處理方案中，混凝土面板內(nèi)的壓應(yīng)力均能滿足強度要求，若巖埂完全保留在壩體內(nèi)部時，面板中的拉應(yīng)力則超過混凝土的抗拉強度，導(dǎo)致面板被拉裂而失去防滲功能。巖埂清除范圍將直接涉及到壩基開挖與壩體填筑工程量，影響到工程造價。

巖??；混凝土面板堆石壩；應(yīng)力應(yīng)變

瑪熱勒蘇水庫位于額敏縣境內(nèi)的馬拉蘇河上，工程由大壩、放水隧洞、導(dǎo)流沖沙隧洞、溢洪洞四部分組成，總庫容為3 254×104m3。大壩最大壩高為79 m，壩頂寬8.0 m，壩頂全長250 m，上游壩坡為1∶1.6，下游壩坡為1∶1.4，壩頂設(shè)防浪墻。該水庫屬Ⅲ等中型工程，該大壩0+150剖面位于岸坡處，壩體下部有一巖埂分布（見圖1），使壩體填筑壩料厚度變化不均，這時位于其上的具有一定剛度的混凝土面板應(yīng)力條件較差，亦可能致使面板產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫，失去防滲功能。本文通過二維有限元分析，重點研究在蓄水條件下，該剖面壩下巖埂不同的處理方案對面板應(yīng)力應(yīng)變性狀的影響。

圖1 0+150剖面

1 計算模型

1.1 材料的本構(gòu)模型

壩體及壩基材料的本構(gòu)模型選擇是否合理，直接關(guān)系到對大壩工作性狀評估的準確性。大量的研究表明散粒體壩料的變形，不僅隨剪應(yīng)力水平而變化，也與加載應(yīng)力路徑密切相關(guān)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出典型的非線性特性，目前國內(nèi)外均通過壩料的三軸試驗的剪應(yīng)力與軸應(yīng)變的關(guān)系來反映材料的非線性性質(zhì)，比較多的選用鄧肯-張模型［1］，本文將采用鄧肯-張的E-μ模型對混凝土面板堆石壩進行有限元分析。

混凝土面板、趾板和基巖等剛性結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律均采用線彈模型進行分析。

1.2 接觸的計算分析模型

在面板堆石壩的結(jié)構(gòu)中，存在剛性的混凝土面板與散粒體墊層之間的相互作用的接觸面，在壩體自重和水荷載作用下，面板與墊層之間將產(chǎn)生摩擦接觸，實現(xiàn)剪應(yīng)力的傳遞，這是面板與墊層之間最重要的接觸。在面板堆石壩的應(yīng)力應(yīng)變計算分析中，對壩體及壩基結(jié)構(gòu)中存在各類不同材料的接觸面（包括面板與墊層、趾板與地基等）均需選擇合理的接觸單元予以模擬。國內(nèi)外常采用Goodman無厚度接觸面單元、Desai薄層單元及接觸摩擦單元等特殊單元進行模擬。徐澤平等［2］國內(nèi)外專家研究表明：在兩種材料性質(zhì)相差懸殊的介質(zhì)之間，一般都會在材料性質(zhì)相對較弱的一面形成一個薄層的“剪切帶”，對這一“剪切帶”采用薄層接觸面單元來模擬，可能會更接近實際。目前，國內(nèi)多采用薄層單元的模型，故本次計算分析對面板與墊層間的相互作用亦采用薄層單元來模擬。

1.3 混凝土結(jié)構(gòu)物接縫的計算分析模型

混凝土面板堆石壩，面板之間、面板與趾板之間均存在各種類型不同的接縫，如板間縫、周邊縫等。接縫的變形是由于其下部的堆石體和壩基材料的變形所引起的，接縫變形的量值直接關(guān)系到大壩防滲系統(tǒng)的可靠性。目前面板壩的接縫通過止水結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)防滲，包括設(shè)在接縫底部的金屬止水和頂部的柔性填料止水，一些重要工程還在柔性止水上部設(shè)置無粘性自愈淤堵填料止水，增加防滲能力。一般意義上講，這些止水材料對接縫的變形不起任何約束作用，它僅僅是隨接縫變形而變形，當接縫受壓時，接縫的止水不會失效；當接縫張開、沉降和剪切位移超過了止水材料的允許值時，止水將失效導(dǎo)致面板壩產(chǎn)生滲漏。因此，在創(chuàng)建接縫模型時可以完全不考慮止水材料對接縫變形的影響，接縫變形的特性主要取決于壩體、壩基及接縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力應(yīng)變特性，這樣可以將接縫兩側(cè)縫面視為完全獨立的縫面而無任何聯(lián)系，縫面的變形取決于壩體及壩基的變形和縫面所屬結(jié)構(gòu)的變形。將接縫兩側(cè)縫面完全分離為獨立界面，當接縫受拉時，縫面兩側(cè)的節(jié)點產(chǎn)生分離，各自隨接縫兩邊的結(jié)構(gòu)單元位移；當接縫受壓時，縫面兩側(cè)的節(jié)點重合。這樣的設(shè)置，可以較好的模擬接縫的拉、壓變形，但對剪切變形特性則反映不夠充分，然而人們更關(guān)注的是接縫的拉伸變形。通過計算兩側(cè)縫面上結(jié)點的各方向上位移差，依據(jù)各位移值的量級和止水材料的允許拉伸和剪切值，判斷接縫止水的工作性狀，就可評價面板壩防滲的可靠性。本次研究就是基于這一模型進行的，將這一模型稱之為“分離縫模型”。

2 壩基巖梗處理方案與有限元模型

2.1 大壩巖埂處理方案

0+150剖面位于岸坡處，壩體下部有一巖埂分布，使壩體填筑壩料厚度變化不均，這對位于其上的混凝土面板應(yīng)力條件極為不利，有可能導(dǎo)致面板產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性斷裂裂縫，失去防滲功能。為此，特擬定三個方案研究面板的位移與應(yīng)力性狀，以評價巖埂對面板的影響和改進措施。

第一方案：即原設(shè)計方案，如圖2所示。

第二方案：將壩體內(nèi)巖埂上部削去22 m，換填為壩料，使面板下壩體變形較為均勻，降低這部分壩體變形梯度，改善面板受力條件，見圖3。從施工的角度看，這一方案開挖和壩體填筑工程量均較大，也增加了工程的投資。

圖3 第二方案單元剖分圖（結(jié)點數(shù)：4967，單元數(shù)：4811）

第三方案：將壩體內(nèi)巖埂上部削去10 m，并將巖埂上游平行面板方進行削坡，保證垂直面板方向下填土厚度有11 m，同時，將巖埂頂部削成直徑10 m的圓弧狀。換填為壩料后，使面板下壩體變形較為均勻，降低這部分壩體變形梯度，改善面板受力條件，見圖4。

圖4 第三方案單元剖分圖（結(jié)點數(shù)：5650，單元數(shù)：4911）

2.2 有限元網(wǎng)格剖分

坐標系豎向為Z軸，順河向為Y軸。計算邊界上下游方向取1.5倍壩高，壩基基巖取1倍壩高?；鶐r底部為不可移動邊界，兩側(cè)邊界上豎向可移動，水平向全約束。大壩有限元網(wǎng)格采用四邊形單元，在面板和墊層料之間設(shè)置薄層面單元；在面板與趾板間的周邊縫內(nèi)設(shè)置分離縫單元。各方案有限元網(wǎng)格剖分如圖2～圖4。

2.3 壩體填筑與蓄水加載分級

采用平面有限元模擬壩體填筑過程和蓄水過程，壩基砂礫石已先期形成，該部分具有初始應(yīng)力，不再加載。壩體填筑分為8級加載，蓄水分為3級加載，蓄水至最高水位，水壓力以面力的形式作用在混凝土防滲面板上。

本研究計算分為竣工期和滿蓄期兩種工況。

2.4 大壩材料計算參數(shù)

馬熱勒蘇大壩筑壩材料及壩基材料通過大型三軸試驗，直接取得非線性計算參數(shù)。壩體各材料的計算參數(shù)匯總見表1。

表1 馬熱勒蘇混凝土面板砂礫石壩計算參數(shù)

3 大壩二維有限元靜力成果與分析

3.1 滿蓄期壩體的位移

圖5、圖6和表2分別給出了滿蓄期壩下巖埂各處理方案壩體位移分布和量值。位移計算成果表明：三個方案對壩體沉降和向下游水平位移影響不大，但由于第一方案中有巖埂的存在，限制了壩體向上游產(chǎn)生位移，故其水平位移值較低，僅為其它兩方案的25%；隨巖坎的削除降低，減少了巖坎對壩體的約束，壩體向上游的水平也隨之增大。

圖5 滿蓄期壩體沉降

圖6 滿蓄期壩體水平位移

表2 滿蓄期面板應(yīng)力與位移分析成果統(tǒng)計

3.2 面板的位移與應(yīng)力

（1）面板的撓度。圖7、圖8分別給出了三個方案面板的撓曲線和面板法向位移矢量圖。

圖7 滿蓄期面板撓度

圖8 滿蓄期面板法向位移矢量分布圖

由圖7和圖8可知方案一面板的撓曲變形可分為三段，最大撓曲值為3.41 cm，發(fā)生在面板長度下部1/3范圍內(nèi)；面板長度上部的1/3范圍撓曲變形值次之，其撓曲值為2.9 cm；面板長度的中部1/3段，受巖埂的頂托制約，其撓曲值最小，僅為0.38 cm，幾乎是不產(chǎn)生撓曲，但這將引起該處產(chǎn)生應(yīng)力集中。

方案二面板的最大撓曲值為2.98 cm，發(fā)生在面板中段范圍內(nèi)；面板長度上部的1/3范圍撓曲位移值為1.6 cm；面板長度的下部1/3段，撓曲位移值為2.7 cm。對比圖3和與4可知，由于將巖埂削減22 m，減低巖埂對面板的頂托作用，使得面板的撓曲變形變得更趨向于均勻化，降低了面板撓度的變形梯度，改善了面板的變形條件。

與方案二不同，由于巖埂開挖的體形不同，方案三中面板的撓曲變形大體上分為兩段，最大撓曲值為3.22 cm，發(fā)生在面板下端靠近趾板附近；面板長度上部的2/3范圍撓曲位移值為2.51 cm。由圖4可知，巖埂經(jīng)削坡修圓后，減低巖埂對面板的頂托作用，使得面板的撓曲變形變得更趨向于均勻化，降低了面板撓度的變形梯度，改善了面板的變形條件。

通過對巖埂三個處理方案的比較可知：方案一中巖埂的存在對面板的撓曲變形分布極不均勻，預(yù)示混凝土防滲面板的受力也不均勻；對巖埂挖除較多的方案二，撓度分布較為均勻，但其開挖了工程量較大；經(jīng)方案三對開挖體形進行了調(diào)整，相比方案二，開挖與填筑工程量均有所降低，面板應(yīng)力條件也將會得到改善。

（2）面板順坡向位移。面板順坡向位移見圖9。由圖9可知：三個方案面板順坡向位移的最大值均發(fā)生在面板的頂部。方案一中面板順坡向位移的最大值為0.55 cm；方案二面板順坡向位移的最大值為1.1 cm；方案三面板順坡向位移的最大值為0.88 cm。上述各方案順坡向位移值與巖埂開挖量大小密切相關(guān)，方案一未進行巖埂開挖，壩料填筑層澆薄，在巖埂的約束下順坡向位移最小；方案二對巖埂削除最多，壩料回填量最大，順坡向位移值也就最大；方案三開挖量介于二者之間，順坡向位移值介于前二者之間。

圖9 滿蓄期面板順坡向位移

（3）面板的第一主應(yīng)力。圖10和表2給出了三個方案滿蓄期面板第一主應(yīng)力的分布。

圖10 滿蓄期面板的第一主應(yīng)力分布

由于受巖埂的頂托影響，方案一面板的第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力，出現(xiàn)在面板的中部，其極值為4.71 MPa，遠超過C25的抗拉強度允許值，在該部位的面板可能被拉裂而失去防滲能力，因此，必須采取相應(yīng)措施，消除巖埂的影響，改善面板的應(yīng)力條件。

方案二中面板的第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力，出現(xiàn)在靠近趾板的面板下部，其極值為2.98 MPa，與方案一相比，由于對巖坎進行了削除，降低了巖坎的頂托影響，面板的最大拉應(yīng)力僅為方案一的63.3%，改善了面板受力條件，降低了拉裂破壞機率。

方案三中面板的第一主應(yīng)力也為拉應(yīng)力，與方案二類同，出現(xiàn)在靠近趾板的面板下部，其極值為2.59 MPa，與第一方案相比，最大第一主應(yīng)力不僅作用位置發(fā)生了變化，而且，由于對巖坎進行了削除，降低了巖坎的頂托影響，面板的最大拉應(yīng)力僅為方案一的55%，約為方案二的90%，改善了面板受力條件，降低了拉裂破壞機率。

（4）面板的第三主應(yīng)力。圖11和表2給出了三個方案滿蓄期面板第三主應(yīng)力的分布，第三主應(yīng)力全部為壓應(yīng)力。

圖11 滿蓄期面板的第三主應(yīng)力分布

方案一中面板的第三主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，出現(xiàn)在面板的下部，面板中最大壓應(yīng)力極值為-4.27 MPa，遠低于C25的抗壓強度允許值。因此，在水荷載作用下，混凝土防滲面板不會產(chǎn)生受壓破壞。在面板的中段底部，第三主應(yīng)力出現(xiàn)了較小的拉應(yīng)力，其量值為0.083 MPa，遠低于面板混凝土的抗拉強度，這不會引起面板的開裂。

方案二中面板的第三主應(yīng)力以壓應(yīng)力，出現(xiàn)在面板的下部，面板中最大壓應(yīng)力極值為-3.87 MPa，遠低于C25的抗壓強度允許值。在水荷載作用下，混凝土防滲面板不會產(chǎn)生受壓破壞。

方案三中面板的第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力，也出現(xiàn)在面板的下部，面板中最大壓應(yīng)力極值為-4.37 MPa，遠低于C25的抗壓強度允許值。在水荷載作用下，混凝土防滲面板不會產(chǎn)生擠壓破壞。

（5）面板的順坡向應(yīng)力。圖12和表2給出了各方案滿蓄期面板順坡向應(yīng)力的分布。

與一般工程不同，由于受巖埂的影響，在蓄水期方案一面板的順坡向應(yīng)力呈現(xiàn)出拉、壓應(yīng)力相間分布的特點，在面板中間段出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在巖埂頂上的面板中，其極值為2.45 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近趾板附近的面板中，其極值為-1.89 MPa。順坡向的拉應(yīng)力最大值與第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在面板同一點處，這反映面板存在可能被拉裂的風險。

圖12 滿蓄期面板的順坡向應(yīng)力分布

方案二中順坡向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近趾板附近的面板中，與第三主應(yīng)力的極值發(fā)生的位置相當，其極值為-3.73 MPa。低于C25的抗壓強度允許值。在水荷載作用下，混凝土防滲面板不會因順坡向應(yīng)力而產(chǎn)生受壓破壞，順坡向最大拉應(yīng)力為2.62 MPa，發(fā)生在面板的下緣。

方案三中面板的順坡向應(yīng)力的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近趾板附近的面板中，與第三主應(yīng)力的極值發(fā)生的位置相當，其極值為-3.58 MPa。低于C25的抗壓強度允許值。在水荷載作用下，混凝土防滲面板不會因順坡向應(yīng)力而產(chǎn)生受壓破壞；順坡向最大拉應(yīng)力為2.41 MPa，發(fā)生在面板的下緣，相對于方案二，面板下填筑層較薄，面板下緣拉應(yīng)力有所降低。

表3給出了幾座混凝土面板堆石壩面板位移與應(yīng)力計算成果值統(tǒng)計，可以看出瑪熱勒蘇大壩岸坡壩段即便是采用方案三進行處理，由于受巖埂的約束，并采用變形模量較高的砂礫石壩料填筑，其面板順坡向拉應(yīng)力在統(tǒng)計的各大壩中是最大的，面板撓度是最小的。

表3 幾座混凝土面板堆石壩面板位移與應(yīng)力計算值統(tǒng)計

綜合以上面板的位移變形和應(yīng)力條件分析，從防止面板開裂滲漏和降低工程造價，以方案三最為有利。

4 結(jié) 論

（1）岸坡0+150剖面通過三個方案對巖埂處理的分析比較，方案一中面板的第一主應(yīng)力達到4.71 MPa的拉應(yīng)力，順壩坡分析的拉應(yīng)力達到2.45 MPa，這可能導(dǎo)致面板產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫而失去防滲功能；經(jīng)對巖埂采用方案三處理后，面板的第一主應(yīng)力仍為拉應(yīng)力，但已降至2.59 MPa，與方案一相比降低了45%，顯著的降低了面板開裂風險。建議對壩體下部按方案三對巖埂進行開挖處理。

（2）巖埂開挖處理的范圍不僅直接影響到面板的受力條件，而且還涉及到基巖開挖量與壩體回填量，這將影響到工程造價，其基巖開挖范圍應(yīng)進行綜合比選。

（3）通過本工程的計算分析表明：采用彈性非線性有限元法，對復(fù)雜壩基條件下的大壩應(yīng)力應(yīng)變進行計算分析，為大壩方案比選和優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的支撐。

［1］ 楊澤艷，周建平，蔣國澄，等.中國混凝土面板堆石壩的發(fā)展［J］.水力發(fā)電，2011，37（2）：18－23.

［2］ 徐澤平.混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2005.

［3］ 朱錦杰，張 猛，李德英.公伯峽水電站面板應(yīng)力分析［C］//高寒地區(qū)混凝土面板堆石壩的技術(shù)進展論文集.北京：中國水利水電出版社，2013：115－121.

［4］ 吳俊杰.山前傾斜平原水庫全庫盤防滲復(fù)合土工膜應(yīng)力應(yīng)變分析［D］.烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

Effect of Rock Ridge on Stress and Strain Properties of Concrete Impervious Panel Dam

FENG Buqun1，MA Pinfei2
（1.XPCC Surveying&Designing Institute（Group）Co.，Ltd.，Urumuqi，Xinjiang 830000，China；2.Tacheng AreaWater Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute，Tacheng，Xinjiang 834700，China）

Concrete faced rockfill dam near the slope section affected by topography，it may be located in the rock ridge，which would affect the panel stress－strain behavior，it will lead to cracks of the panel and the loss of seepage control function.Calculated by the finite element analysis of concrete faced rockfill dam of Marelesu，focus on the condition of water storage，under different rock ridge processing schemes of dam panel stress－strain behavior，the calculation results of stress and strain in different forms under the conditions of the excavation of rock ridge.The calculation results show that the rock ridge excavation form by impact，the excavation scheme and concrete panel of pressure stress can meet the strength requirements，if the rock ridge completely retained in the interior of the dam，in panel of tensile stress more than the tensile strength of the concrete，this will cause the panel to be damaged and lose the function of seepage control.The clear scope of rock ridge will be directly related to the excavation of the dam foundation and dam filling quantity，this affect the project cost.The results for the dam design put forward reasonable suggestions and effective measures for treatment of rock ridge.

rock ridge；concrete faced rockfill dam；the stress and strain

TV641.4

A

1672—1144（2016）05—0126—06

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.024

2016－05－02

2016－06－10

鳳不群（1990—），男，江蘇高淳人，助理工程師，主要從事當?shù)夭牧现窝芯抗ぷ?。E－mail：250897573@qq.com