復(fù)雜覆蓋層上面板堆石壩應(yīng)力變形分析

李 斌

（阜康市九運(yùn)街鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)（畜牧業(yè)）發(fā)展服務(wù)中心，新疆 阜康 831501）

混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、穩(wěn)定性好、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)，這種壩體構(gòu)造歷史悠久，壩體以堆石體為支承結(jié)構(gòu)、在壩體上游表面澆筑防滲材料[1-3]。初期，混凝土面板堆石壩采用拋石填筑，但是這種施工方法會(huì)導(dǎo)致裂縫破壞引起水庫(kù)滲漏，后期隨著機(jī)械化碾壓技術(shù)發(fā)展，降低了堆石料的變形。近年來(lái)在大壩覆蓋層組成復(fù)雜的施工區(qū)域，壩基沉降變形較大，通常出現(xiàn)壩體不均勻變形狀況[4]。為了準(zhǔn)確掌握復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域內(nèi)的大壩應(yīng)力變形特性及變化規(guī)律，本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)壩體的應(yīng)力變形進(jìn)行研究。

1 工程概況

新疆某面板堆石壩水庫(kù)容量3.2億m3，流域面積9223km3，以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉、生態(tài)等效益。壩高、防浪墻高、壩頂長(zhǎng)度、壩頂寬分別為123，1.2，530.0，9.0m，上下游壩坡1∶1.5，整體工程屬于大（2）型水庫(kù)工程。大壩主體由上至下構(gòu)成單元分別為混凝土面板、墊層料、過(guò)渡料、主堆石、次堆石，下游干砌石護(hù)坡，其中覆蓋層下設(shè)混凝土防滲墻，防滲墻底部嵌入基巖內(nèi)，構(gòu)成連續(xù)防滲體系。

2 建立模型

Fast Lagrangian Analysis of Continua仿真計(jì)算軟件簡(jiǎn)稱(chēng)FLAC 3D，由美國(guó)ITASCA公司開(kāi)發(fā)，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析[4]。

本文基于FLAC 3D 內(nèi)置的Duncan E-B 本構(gòu)模型，模擬面板堆石壩竣工期和滿(mǎn)蓄期兩個(gè)階段的應(yīng)力變形特性[5]。

面板堆石壩三維計(jì)算網(wǎng)格劃分采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，整體網(wǎng)格包括240855個(gè)結(jié)點(diǎn)，2777675個(gè)計(jì)算單元，同時(shí)考慮面板豎縫、周邊縫、趾板等結(jié)構(gòu)。x坐標(biāo)、y坐標(biāo)、z坐標(biāo)的正向表示分別是沿壩軸線(xiàn)方向從左岸到右岸，沿壩軸線(xiàn)方向從上游到下游，沿壩軸線(xiàn)方向從低海拔到高海拔。圖1～圖2分別為面板堆石壩模型網(wǎng)格劃分、面板剖分圖，模擬計(jì)算的面板堆石壩各材料參數(shù)一部分由三軸試驗(yàn)得到，一部分由資料查得[6-7]，本模型壩體應(yīng)力變形的模擬主要針對(duì)的是面板堆石壩的竣工期和滿(mǎn)蓄期兩種狀態(tài)?？⒐て诎瑝误w堆石料的填筑、一期蓄水及兩期面板的澆筑，而滿(mǎn)蓄期是在竣工的基礎(chǔ)上完成的二期蓄水。為了探究面板堆石壩填筑過(guò)程中的應(yīng)力變形特性，模型選取壩體河谷中央最大的橫斷面及壩軸線(xiàn)縱斷面，如圖3～圖4。

圖1 面板堆石壩模型網(wǎng)格劃分

圖2 面板剖分圖

圖3 模型縱斷面

圖4 模型橫斷面

3 模擬結(jié)果分析

3.1 竣工期應(yīng)力變形分析

竣工期壩體的位移云圖如圖5，分析竣工期壩體的最大沉降范圍集中在壩體中部偏下位置。最大沉降值占?jí)慰偢叩?.5%，數(shù)值0.6m，上部堆石料作用在壩體下部堆石料上顯著的壓力效應(yīng)，導(dǎo)致壩體下部堆石料由中間向兩側(cè)發(fā)生明顯位移； 壩體下部的上游堆石料至上而下發(fā)生9.95cm的水平位移，下游堆石料至上而下發(fā)生15.75cm的水平位移。

圖5 竣工期壩體的位移

圖6為竣工期壩體橫斷面及縱斷面應(yīng)力分布云圖。

圖6 竣工期壩體橫斷面及縱斷面應(yīng)力分布

由圖6可知，壩體底部居中位置處出現(xiàn)了大面積應(yīng)力集中區(qū)域，其中最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力分別為2.3，0.91 MPa?？v斷面大、小主應(yīng)力基本連續(xù)，分布呈現(xiàn)出自上而下水平呈現(xiàn)出遞增態(tài)勢(shì)，反映了大壩堆石料的水平填筑方式。在主次堆石的交界處應(yīng)力較大，出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)。

3.2 竣工期面板的應(yīng)力與變形

圖7為竣工期面板的位移模擬云圖，由圖7可知，面板位移云圖呈現(xiàn)出明顯的分期狀況，且一期面板位移極值相對(duì)較大，原因在于一期面板澆筑完成較早，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的上覆蓄水和壩體自重效應(yīng)，受力變形較大，而二期面板的澆筑時(shí)間較晚，與竣工截止時(shí)間距離較近，故位移較小。一期面板形狀呈現(xiàn)出向內(nèi)凹陷的狀況，其中在面板內(nèi)出現(xiàn)了最大撓度，最大撓度值12.3cm，在面板上部范圍內(nèi)發(fā)生順坡向擠壓效應(yīng)，其中撓度值1.7cm。

圖7 竣工期面板位移

竣工期面板應(yīng)力分布如圖8。由圖8可知，未蓄水前，一期面板在上部壩體沉降的作用下發(fā)生順坡向擠壓，面板承受一定的壓應(yīng)力。同時(shí)，在上部堆石體側(cè)向水平位移的作用下，面板向上游側(cè)凸出，面板表面承受一定的順坡向拉應(yīng)力。進(jìn)行一期蓄水后，壓應(yīng)力區(qū)域變大且壓應(yīng)力極值也增大。壩體填筑到頂后，二期面板剛澆筑完畢，變形很小，相應(yīng)面板的應(yīng)力也較小。由于堆石料產(chǎn)生由兩岸壩坡指向河谷中央的位移，故面板也相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生中部區(qū)域受壓，兩側(cè)受拉的軸向應(yīng)力，受一期蓄水影響，一期面板應(yīng)力較大，而在竣工期，二期面板剛澆筑完成，其應(yīng)力也相對(duì)較小。

圖8 竣工期面板應(yīng)力

3.3 滿(mǎn)蓄期應(yīng)力變形分析

滿(mǎn)蓄期壩體位移如圖9。

圖9 滿(mǎn)蓄期壩體位移

由圖9可知，水庫(kù)蓄水后壩體的沉降規(guī)律與竣工期壩體的沉降規(guī)律差別不大，水庫(kù)蓄水后受庫(kù)內(nèi)水壓力與堆石自重影響，壩體的沉降幅度顯著增大，其中壩體沉降最大沉降值占?jí)胃叩?.53%，最大沉降值0.65m，發(fā)生沉降的位置與沉降數(shù)值與竣工期相差不大。當(dāng)水庫(kù)滿(mǎn)蓄水壓力作用下，壩體結(jié)構(gòu)向下移動(dòng)的位移增加較大，其中壩體向下游水平位移的最大值22.20cm，且向上游的水平位移減小，上游水平位移最大值5.90cm。

滿(mǎn)蓄期壩體應(yīng)力變化如圖10。由圖10可知，水庫(kù)蓄滿(mǎn)水后，壩體主應(yīng)力極值顯著增大，其中大、小主應(yīng)力極值分別增加到為2.40，1.10MPa，應(yīng)力整體的分布態(tài)勢(shì)與竣工期相差不大，其中大主應(yīng)力增加較大，等值線(xiàn)較竣工期明顯提高，小主應(yīng)力數(shù)值增大不明顯。水庫(kù)蓄滿(mǎn)水后，上游水平應(yīng)力明顯增加，主次堆石交界處出現(xiàn)了大應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖10 滿(mǎn)蓄期壩體的應(yīng)力

滿(mǎn)蓄期面板位移如圖11。受面板澆筑分期和庫(kù)內(nèi)水壓力影響滿(mǎn)蓄期面板位移較明顯，庫(kù)水推力作用會(huì)導(dǎo)致大壩整體下移，但是受制于壩體兩側(cè)約束，壩體面板最終呈向下游凹陷形態(tài)，面板中下部偏左處出現(xiàn)33.35cm的最大撓度值，岸坡、趾板處的面板受到約束出現(xiàn)向上的順坡位移。

圖11 滿(mǎn)蓄期面板位移

滿(mǎn)蓄期面板順坡受壓如圖12。面板順坡呈現(xiàn)出明顯的受壓狀態(tài)，受制于岸坡、趾板等構(gòu)筑物的約束作用，面板周邊與其底部局部出現(xiàn)了拉應(yīng)力，面板順坡范圍內(nèi)出現(xiàn)2.85 MPa的最大壓應(yīng)力，面板中下部范圍內(nèi)出現(xiàn)2.55 MPa的最大拉應(yīng)力。面板兩側(cè)部分受到坡向中間擠壓的顯著作用，使得面板中間范圍內(nèi)受到較大的壓應(yīng)力作用，其中面板中間范圍內(nèi)壓應(yīng)力的最大值9.80 MPa，相反面板兩側(cè)則受到顯著的拉應(yīng)力影響，其中拉應(yīng)力最大值2.80 MPa。分析可知，滿(mǎn)蓄期面板拉應(yīng)力大于壩體材料C25混凝土抗拉強(qiáng)度，為了保證壩體安全可靠，所以要在壩體兩側(cè)受拉顯著范圍內(nèi)加大配筋密度，以提高壩體的抗拉強(qiáng)度，防止面板受拉導(dǎo)致壩體出現(xiàn)裂縫。

圖12 滿(mǎn)蓄期面板順坡向受壓云圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）壩體大部分區(qū)域應(yīng)力數(shù)值普遍小于常規(guī)C25混凝土抗拉強(qiáng)度，應(yīng)力水平分布合理，主次堆石交界處范圍內(nèi)的應(yīng)力數(shù)值較高，此處必須采取優(yōu)化堆石料的級(jí)配方案、加強(qiáng)布筋等合理施工措施，提高壩體高應(yīng)力范圍內(nèi)的抵破壞能力。

（2）滿(mǎn)蓄期面板拉應(yīng)力較大，為了保證壩體安全可靠，避免受拉出現(xiàn)裂縫，要在壩體兩側(cè)受拉顯著范圍內(nèi)加大配筋密度，以提高此處壩體的抗拉強(qiáng)度。