組合型混凝土面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變特性分析

王玉孝，沈 婷，李國(guó)英

(1. 西安理工大學(xué),陜西西安 710048； 2. 青海黃河上游水電公司工程建設(shè)分公司,青海西寧 810008； 3. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

我國(guó)面板堆石壩的建壩水平已達(dá)到200 m級(jí)，面板壩筑壩技術(shù)正在由200 m級(jí)向300 m級(jí)發(fā)展[1-4]。150 m級(jí)面板壩技術(shù)成熟，大壩安全可靠，壩體實(shí)測(cè)變形與理論計(jì)算基本吻合；200 m級(jí)高面板壩技術(shù)漸趨成熟，已建200 m級(jí)面板壩總體情況良好，雖然不同程度地出現(xiàn)了面板擠壓破壞、面板裂縫、壩體變形和滲漏量偏大等問(wèn)題，但通過(guò)適當(dāng)工程措施后運(yùn)行良好；而250～300 m級(jí)面板壩，由于200 m級(jí)面板壩出現(xiàn)的一些問(wèn)題以及理論研究相對(duì)滯后，工程界對(duì)其壩體安全性尚存一些質(zhì)疑[2-5]。

由于200 m級(jí)面板壩存在的最突出問(wèn)題是面板的結(jié)構(gòu)性裂縫和擠壓破壞問(wèn)題[3-4]，為了提高面板安全性，提出了在大壩上游下部設(shè)置高混凝土壩與面板堆石壩形成組合壩的研究思路，以期改善高面板壩面板應(yīng)力狀態(tài)不佳問(wèn)題，為面板壩筑壩技術(shù)發(fā)展提供新思路[6]。

圖1 組合型面板堆石壩與常規(guī)面板壩Fig.1 Plinth types of combined and conventional rock-fill dams

1 組合型面板壩概況

如圖1所示，組合型面板壩是在大壩上游下部設(shè)置高混凝土壩，以連接壩基和面板；而常規(guī)面板壩則是通過(guò)設(shè)置厚度在2 m以?xún)?nèi)的混凝土薄板，即趾板來(lái)連接壩基和面板。較之常規(guī)面板壩，組合型面板壩增大了混凝土、鋼筋工程量，但減小了壩體填筑工程量，降低了趾板岸坡高度，從而減少了底部岸坡趾板開(kāi)挖量和邊坡支護(hù)工程量，縮短了面板和接縫長(zhǎng)度，減少了深水區(qū)面板面積，降低了面板檢修難度。目前，雖然在不利地形地質(zhì)條件時(shí)常規(guī)面板壩工程也會(huì)通過(guò)設(shè)置高趾墻來(lái)彌補(bǔ)地形地質(zhì)條件的缺陷，但河谷底部深水區(qū)內(nèi)設(shè)置的高趾墻高度相對(duì)較低，一般不超過(guò)40 m，例如新疆吉音面板壩、龍首二級(jí)(西流水)面板壩、冰島Karahnjukar面板壩均通過(guò)設(shè)置高趾墻修正了下切河槽段的面板體型[7-12]。而組合型面板壩著眼于設(shè)置更高混凝土壩與面板一起共同防滲，這種結(jié)構(gòu)型式在不規(guī)則地形、陡窄峽谷等不利條件下存在一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不過(guò)隨之也會(huì)產(chǎn)生一些其他問(wèn)題，如高混凝土壩自身的應(yīng)力和穩(wěn)定問(wèn)題、起始面板下堆石體厚度過(guò)大導(dǎo)致的面板周邊縫剪切變位過(guò)大問(wèn)題等。為論證該結(jié)構(gòu)型式的可行性和適用性，需深入開(kāi)展其應(yīng)力變形特性的研究。

本文依托某壩高為150 m的面板壩工程，采用三維非線(xiàn)性有限元方法，全面分析組合型面板壩的應(yīng)力變形特性及與常規(guī)面板壩應(yīng)力變形特性的差異。該工程河谷中下部呈對(duì)稱(chēng)“V”字型，岸坡較陡，平均坡度為53°～58°，河谷上部較開(kāi)闊，岸坡較緩，且左緩右陡，左岸平均坡度約10°，右岸平均坡度約26°。綜合考慮地形地質(zhì)條件、施工條件、建壩技術(shù)可行性和技術(shù)進(jìn)步要求，通過(guò)對(duì)混凝土壩壩高、壩頂寬度、上下游坡比等體型參數(shù)的比選，擋水建筑物推薦壩高60 m混凝土壩與面板堆石壩的組合壩方案[13]。大壩設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖2，堆石壩最大壩高150 m，壩頂寬度10 m，上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.86，下部鑲嵌混凝土壩最大壩高60 m，上游坡比1∶0.2，下游坡比1∶0.7，頂寬10 m，為避免周邊縫變位過(guò)大，趾板寬度設(shè)置為8 m，板后堆石留存2 m。

圖2 組合型面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)剖面(單位：m)Fig.2 Typical profile of combined rock-fill dams(unit： m)

2 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

混凝土壩和面板采用線(xiàn)彈性模型，堆石料采用南水雙屈服面彈塑性模型，面板周邊縫和垂直縫采用連接單元處理，面板與墊層、混凝土壩與過(guò)渡料之間設(shè)置Goodman單元，模擬接觸面特性。筑壩材料計(jì)算參數(shù)如表1所示?；炷翂魏兔姘逵?jì)算參數(shù)為：ρ=2.40 g/cm3，E=28 GPa，υ=0.167。Goodman 單元參數(shù)為：K=4 800，n=0.56，Rf=0.74，φ=36°。

表1 筑壩材料南水模型參數(shù)Tab.1 Parameters of Nanshui double-yield-surface model

圖3 組合型面板壩三維有限元網(wǎng)格Fig.3 3D FEM meshes of combined rock-fill dam

3 計(jì)算成果與分析

有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示?？紤]混凝土壩壩段與基巖的共同作用，基巖深度方向和上、下游方向延伸范圍為1.5倍混凝土壩壩高。基底為固定約束，四周邊界均為法向約束。

3.1 堆石壩變形

堆石壩最大剖面壩左0+174.5順河向水平位移和沉降分布分別見(jiàn)圖4～5?？⒐て谏嫌螇误w水平位移指向上游，最大值為5.4 cm；下游壩體則指向下游，最大值5.2 cm。蓄水后，在庫(kù)水壓力作用下壩體向下游變形，正常蓄水位時(shí)上游向最大水平位移減至2.3 cm，下游向最大水平位移增至6.0 cm?？⒐て诤托钏趬误w最大沉降分別為40.8和43.8 cm，最大沉降發(fā)生在壩軸線(xiàn)1/2壩高處，量值約占最大壩高的0.3%。

圖4 堆石壩最大剖面壩體順河向位移(單位： cm)Fig.4 Horizontal displacement of largest profile of rock-fill dam (unit： cm)

圖5 堆石壩最大剖面壩體沉降(單位： cm)Fig.5 Dam body settlement of largest profile of rock-fill dam (unit： m)

組合型面板壩與常規(guī)面板壩壩體的變形極值見(jiàn)表2。相比常規(guī)面板壩，組合型面板壩壩體變形總體有所降低，蓄水期沉降率由0.31%降至0.29%，下降幅度約為6%?？梢?jiàn)組合型面板壩堆石壩體的變形性狀與常規(guī)面板壩差別不大。對(duì)于組合型面板壩，混凝土壩壩高是控制性參數(shù)，隨混凝土壩壩高增加，壩體變形降幅增大。不過(guò)當(dāng)混凝土壩壩高不超過(guò)面板壩壩高的40%時(shí)，組合型面板壩與常規(guī)面板壩應(yīng)力變形性狀差別不大[13]。

表2 堆石壩壩體變形極值Tab.2 Maximum deformation of rock-fill dam

3.2 面板應(yīng)力變形

面板蓄水期軸向變形和撓度分布見(jiàn)圖6。水壓力作用下面板發(fā)生撓曲變形，左、右兩岸面板均向河谷中央位移，指向左岸和右岸位移最大值均為0.84 cm，面板撓度指向壩內(nèi)，最大值為11.30 cm，位于河谷中央0.6h(h為壩高)處。

圖6 面板蓄水期軸向變形與撓度(單位： cm)Fig.6 Axial deformation and deflection of slab during full storage period (unit： cm)

面板蓄水期軸向和順坡向應(yīng)力見(jiàn)圖7。面板軸向以受壓為主，兩岸存在一定的受拉區(qū)，最大壓、拉應(yīng)力值分別為4.71和0.78 MPa。面板順坡向完全受壓，最大壓應(yīng)力值為6.38 MPa。

圖7 面板蓄水期軸向應(yīng)力與順坡向應(yīng)力(單位： MPa)Fig.7 Axial stress and longitudinal slope stress of slab during full storage period (unit： MPa)

組合型面板壩與常規(guī)面板壩面板的應(yīng)力變形極值見(jiàn)表3。相比常規(guī)面板壩，組合型面板壩面板變形有所減小，蓄水期面板撓曲率由0.13%降至0.08%，下降幅度達(dá)38%；面板板內(nèi)壓、拉應(yīng)力均有所降低，軸向壓應(yīng)力極值下降幅度為27%，順坡向壓應(yīng)力極值下降幅度為23%，軸向拉應(yīng)力極值下降幅度為32%，順坡向拉應(yīng)力則降為零。

綜上可見(jiàn)，組合型面板壩面板的應(yīng)力變形分布規(guī)律雖和常規(guī)面板壩接近，但面板的應(yīng)力狀態(tài)卻有明顯改善，無(wú)論是拉應(yīng)力，還是壓應(yīng)力數(shù)值都明顯比同等壩高常規(guī)壩小得多。

表3 面板應(yīng)力變形極值(蓄水期)Tab.3 Maximum values of stress and deformation of slab during full storage period

3.3 混凝土壩應(yīng)力變形

混凝土壩順河向位移和垂直向正應(yīng)力分布分別見(jiàn)圖8～9?；炷翂喂ぷ餍詰B(tài)受雙向控制，施工期受大壩的填筑荷載影響，向上游變形，最大值0.24 cm，運(yùn)行期受庫(kù)水壓力為主，向下游變形，最大值為0.33 cm。垂直向，施工期和蓄水期壩體完全受壓，最大垂直正應(yīng)力分別為1.46和2.31 MPa。施工期和蓄水期混凝土壩自身基本受壓，拉應(yīng)力區(qū)僅限很小范圍，施工期分布于兩岸壩頭下游面，蓄水期分布于兩岸壩頭上游面，且拉應(yīng)力數(shù)值較小，最大值低于0.3 MPa。該大體積混凝土結(jié)構(gòu)雖工作條件復(fù)雜，但應(yīng)力狀態(tài)良好，滿(mǎn)足要求。

除了應(yīng)力問(wèn)題，穩(wěn)定也是混凝土壩需要關(guān)注的問(wèn)題之一。合理考慮下游堆石壓力是穩(wěn)定分析的重點(diǎn)。本工程采用有限元計(jì)算出的堆石壓力而非規(guī)范要求的主動(dòng)土壓力對(duì)混凝土壩的穩(wěn)定進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示各工況下該混凝土壩的沿壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖8 混凝土壩順河向變形(單位： cm)Fig.8 Horizontal deformation of concrete dam (unit： cm)

圖9 混凝土壩垂直向正應(yīng)力(單位： MPa)Fig.9 Vertical normal stress of concrete dam (unit： MPa)

3.4 接縫變形

面板周邊縫的剪切變位基本指向河谷中央，最大值為5.2 mm，沉陷變位指向壩內(nèi)，最大值為14.1 mm，周邊縫均處于張開(kāi)狀態(tài)，最大值為7.0 mm。最大剪切和張開(kāi)均發(fā)生在河谷左岸陡傾段，最大沉陷發(fā)生在混凝土壩所在水平段。

面板垂直縫總體為河谷中央處于壓緊狀態(tài)，兩岸處于拉開(kāi)狀態(tài)，最大張開(kāi)值為3.9 mm，位于河谷左岸陡傾段與較緩段轉(zhuǎn)折處。

表4接縫變位極值(蓄水期)

Tab.4 Displacements of peripheral joints and vertical joints during full storage period

壩型周邊縫垂直縫剪切/mm沉陷/mm張開(kāi)/mm張開(kāi)/mm常規(guī)壩17.517.911.66.4組合壩5.214.17.03.9

組合型面板壩與常規(guī)面板壩周邊縫的三向變位極值見(jiàn)表4。相比常規(guī)面板壩，組合型面板壩周邊縫三向變位有不同程度降低，相比沉陷變位，剪切變位和張開(kāi)變位降低明顯，沉陷、剪切和張開(kāi)極值降幅分別為21%，70%和40%。本工程混凝土壩壩頂寬度采用趾板后向下游延伸2 m，計(jì)算結(jié)果顯示河床段周邊縫沉陷變位量值并不大，在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

組合型面板堆石壩的應(yīng)力變形性狀與常規(guī)面板堆石壩存在一定差異。與常規(guī)面板堆石壩相比，組合型面板堆石壩總體表現(xiàn)為壩體、面板的變形有所減小，面板壓、拉應(yīng)力有所降低，周邊縫剪切和張開(kāi)位移有所減小。

本研究工程混凝土壩壩高60 m，壩體變形、面板應(yīng)力和接縫變形均在正常范圍內(nèi)，該組合型面板壩技術(shù)上成立。另外，由于壩址底部60 m高度范圍河谷極其狹窄，之上則較為開(kāi)闊，因此這種地形條件使得組合型面板壩施工、工程量、投資等與常規(guī)面板壩差別不大，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮，該組合型面板壩可行。

組合型面板堆石壩，雖然底部設(shè)置混凝土壩，增大了混凝土工程量，但可減少底部狹窄河谷岸坡趾板開(kāi)挖量，縮短面板和垂直縫長(zhǎng)度，有效改善面板的應(yīng)力狀態(tài)，可見(jiàn)該壩型存在一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是在不規(guī)則地形、狹窄峽谷等不利條件時(shí)，值得進(jìn)行深入研究，希望通過(guò)文中研究工程的建設(shè)，推動(dòng)面板壩建壩技術(shù)的發(fā)展和完善。

面板是面板堆石壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，是面板堆石壩成敗的關(guān)鍵所在。由混凝土壩與面板堆石壩組成的復(fù)合壩壩型為250～300 m級(jí)面板堆石壩的建設(shè)提供了一種新思路，通過(guò)在底部設(shè)置一定高度的混凝土防滲體，使得面板長(zhǎng)度與200 m級(jí)面板壩面板長(zhǎng)度相當(dāng)，從而提高250～300 m級(jí)面板堆石壩防滲面板的安全性。