深厚覆蓋層面板堆石壩施工期應(yīng)力變形分析

肖雨蓮 唐德勝 關(guān)富僳 涂思豪 李洪濤

摘?要：新疆阿爾塔什水利樞紐工程面板堆石壩壩高164.8 m，地基覆蓋層最大厚度94 m，壩體和面板協(xié)調(diào)變形問題對(duì)大壩安全有重要影響。采用三維有限差分軟件FLAC3D，對(duì)阿爾塔什水利樞紐工程深厚覆蓋層面板堆石壩在施工期的應(yīng)力變形進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：壩體最大沉降變形發(fā)生在1/3壩高位置;壩0+475剖面最大沉降量為0.55 m，覆蓋層的變形量為0.32 m，覆蓋層變形占?jí)误w最大沉降變形的58%，河床深厚覆蓋層產(chǎn)生的壓縮變形對(duì)壩體的沉降變形影響較大;靠近壩軸線壩體沉降變形隨填筑過程發(fā)展較快，高程1 680.0～1 736.0 m和高程1 736.0～1 752.0 m壩體填筑過程中沉降速度分別為2～3 cm/8 m和5～6 cm/8 m;數(shù)值計(jì)算結(jié)果與施工期實(shí)測(cè)沉降變形和變形特征較為吻合。后期施工和大壩運(yùn)行過程中應(yīng)對(duì)深厚覆蓋層的變形加以關(guān)注，適當(dāng)放慢施工進(jìn)度，對(duì)于分期面板澆筑應(yīng)適當(dāng)預(yù)留一定沉降期。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩;有限差分法;應(yīng)力;變形;覆蓋層;阿爾塔什水利樞紐

中圖分類號(hào)：TV314;TV641.4+3?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.025

Abstract： The dam height of the Altash face rockfill dam in Xinjiang is 164.8 m， and the maximum thickness of the overburden foundation is 94 m. The coordinated deformation of the dam body and the panel has an important impact on the dam safety. The three-dimensional finite difference calculation program FLAC3D was used to analyze the stress and deformation of the Altash deep overburden face rockfill dam during construction. The results show that the maximum settlement deformation of the dam occurs at 1/3 dam height. The maximum settlement of the dam 0+475 section is 0.55 m， and the deformation of the cover layer is 0.32 m， and the deformation of the cover layer accounts for 58% of the maximum settlement deformation of the dam. The compression deformation caused by the deep cover of the river bed has a great influence on the settlement deformation of the dam body. The settlement deformation of the dam near the dam axis develops rapidly with the filling process. When the dam is filled to an elevation of 1 680.0-1 736.0 m and an elevation of 1 736.0-1 752.0 m， the settlement increase rate is about 2-3 cm/8 m and 5-6 cm/8 m. The numerical results are in good agreement with the measured settlement deformation and deformation characteristics during the construction period. In the later construction and dam operation process， attention should be paid to the deformation of deep overburden， and the construction progress should be slowed down appropriately. A certain settlement period should be reserved for the staged panel pouring.

Key words： face rockfill dam; finite difference method; stress; deformation; cover layer; Altash face rockfill dam

混凝土堆石體是面板堆石壩的重要組成部分，其變形程度對(duì)壩體穩(wěn)定和安全有很大影響[1]。壩體應(yīng)力變形分析是壩體設(shè)計(jì)不可缺少的一部分[2]，施工期壩體應(yīng)力變形是衡量大壩安全可靠性的重要指標(biāo)[3]。隨著數(shù)值計(jì)算的快速發(fā)展，數(shù)值分析逐漸成為面板堆石壩應(yīng)力變形分析的重要方法，其中基于有限元、有限差分原理的數(shù)值分析方法應(yīng)用最為廣泛[4]。FLAC3D有限差分軟件在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[5]，F(xiàn)LAC3D軟件的應(yīng)用范圍涵蓋水利、公路、鐵路、市政等領(lǐng)域，尤其在堆石壩、隧道、基坑、邊坡以及樁基等巖土工程中廣泛應(yīng)用[6]。國內(nèi)諸多學(xué)者采用FLAC3D軟件對(duì)土石壩進(jìn)行了仿真模擬，楊星等[7]利用FLAC3D動(dòng)力彈塑性模型對(duì)土石壩進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，秦鵬飛[8]基于FLAC3D有限差分軟件對(duì)某病險(xiǎn)水庫的防滲加固穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算。但當(dāng)前涉及高寒地區(qū)深厚覆蓋層高面板堆石壩工程的研究較少。同時(shí)，有限元應(yīng)力變形計(jì)算中，鄧肯-張E-B模型是面板堆石壩應(yīng)力變形數(shù)值計(jì)算中最常用的材料本構(gòu)模型之一[9]，但是主流大型數(shù)值計(jì)算軟件并沒有內(nèi)置該模型[3]，F(xiàn)LAC3D中本構(gòu)模型的二次開發(fā)不能通過其自帶的FISH語言來完成，必須通過面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C++來實(shí)現(xiàn)[10]。

鑒于此，筆者依托阿爾塔什水利樞紐工程，運(yùn)用三維有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行鄧肯-張E-B模型的二次開發(fā)，模擬分析施工期面板堆石壩壩體的應(yīng)力變形，獲得深厚覆蓋層面板堆石壩施工期應(yīng)力變形特征，通過與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，并對(duì)施工期壩體變形的協(xié)調(diào)控制提出建議。

1?工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流下游河段的控制性水利工程，位于新疆維吾爾自治區(qū)南疆喀什地區(qū)。水庫總庫容22.49億m3，壩頂高程1 825.80 m，正常蓄水位1 820.0 m，在保證向塔里木河生態(tài)供水和葉爾羌河流域灌區(qū)灌溉用水的前提下，滿足防洪、發(fā)電等綜合利用要求。樞紐工程的攔河壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩高164.8 m，地基覆蓋層最大厚度為94 m，地基覆蓋層與大壩總高度達(dá)258.8 m（高于水布埡水電站的233 m）。工程主要受“三高一深（高邊坡、高面板堆石壩、高地震帶、深覆蓋層）”控制，因此被稱為新疆的“三峽工程”。壩體分為10個(gè)區(qū)，大壩橫剖面見圖1。

2?計(jì)算程序

首先提取壩區(qū)平面布置CAD圖模型的幾何尺寸;然后利用ANSYS進(jìn)行建模（前處理），將模型導(dǎo)入FLAC3D軟件，模擬壩體分層施工過程并保存結(jié)果（求解）;最后導(dǎo)入Tecplot中進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的整理分析（后處理）。模型二次開發(fā)主要工作包括Visual Studio環(huán)境設(shè)置以及.h頭文件和.cpp源文件編碼。C++編譯鄧肯-張模型解決方案成功后生成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件（.dll文件），然后通過設(shè)置cppudm選項(xiàng)載入模型到FLAC3D模型庫中，通過model load命令供用戶調(diào)用。數(shù)值建模計(jì)算過程見圖2。

2.1?模型建立

依據(jù)設(shè)計(jì)圖和壩體分區(qū)，利用ANSYS建立的三維模型主要包含混凝土面板、擠壓邊墻、墊層區(qū)、過渡區(qū)、砂礫石料區(qū)、下游爆破料區(qū)以及覆蓋層地基。數(shù)值模型的總節(jié)點(diǎn)數(shù)為273 642，單元數(shù)為367 886?？紤]到面板與擠壓邊墻可能產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)、滑移、脫空、擠壓等受力情況，接觸面模型采用摩爾-庫侖剪切模型。

2.2?材料參數(shù)

材料參數(shù)采用超大型三軸儀（試樣直徑1 000 mm和800 mm）的試驗(yàn)結(jié)果，見表1，其中：γ為容重;c、φ為摩爾-庫侖強(qiáng)度指標(biāo)，分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角;Rf為破壞比;K、n為初始切線彈性模量參數(shù);Kb、m為體積模量參數(shù);Δφ為摩擦角隨圍壓降低的幅度。本次計(jì)算采用的接觸面單元參數(shù)：內(nèi)摩擦角φ取54°、法向剛度kn取1.5×108、切向剛度ks取1.5×108，抗拉強(qiáng)度、黏聚力、膨脹角都為0。

2.3?邊界條件及加載方式

數(shù)值模型地基覆蓋層厚度為94 m，忽略防浪墻等構(gòu)造物的高度，壩高163 m，以模型最左下角的點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)模型尺寸得出整體模型的坐標(biāo)范圍：Z向0～257 m，Y向0～795 m，X向0～815 m。覆蓋層較厚可以視其下基巖是不變形的，模型底面Z=0。相應(yīng)地，模型的前側(cè)面Y=0、后側(cè)面Y=795 m，模型左側(cè)面X=0、右側(cè)面X=815 m。

荷載主要有自重荷載和水荷載，本文研究深厚覆蓋層上面板堆石壩施工期應(yīng)力變形特性，故僅考慮自重荷載作用。為了模擬堆石體分層填筑碾壓過程，在建立實(shí)體模型時(shí)沿壩體豎直高度方向，每8 m一層將模型切割分層，模擬計(jì)算時(shí)采用逐級(jí)加載方式，即壩體按照8 m一級(jí)分層逐級(jí)加載，壩體分20級(jí)填筑（加載）。主要分析深厚覆蓋層上面板堆石壩施工期應(yīng)力變形特性，計(jì)算工況僅取竣工期。

3?壩體應(yīng)力變形模擬結(jié)果分析

壩址區(qū)河谷地形條件具有較好的對(duì)稱性，為了便于和施工期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合大壩監(jiān)測(cè)資料，壩體應(yīng)力變形分析選取壩0+160、壩0+475兩個(gè)具有代表性的剖面進(jìn)行分析，這兩個(gè)剖面分別是偏向左岸的斷面和靠近中心河床位置的斷面。壩體應(yīng)力變形模擬結(jié)果見圖3（水平位移為正表示位移方向向右、為負(fù)表示位移方向向左;應(yīng)力為負(fù)表示應(yīng)力方向豎直向下）、圖4、表2。

由圖3、圖4可知，壩0+160剖面和壩0+475剖面壩體內(nèi)最大沉降量均發(fā)生在大壩約1/3高度位置，沉降變形整體呈較好的對(duì)稱性。靠近上游側(cè)的壩體和覆蓋層地基變形朝向上游，下游側(cè)的變形朝向下游，且水平位移向覆蓋層底部發(fā)展。兩個(gè)剖面覆蓋層的水平位移均表現(xiàn)為從壩坡坡腳向壩體內(nèi)部發(fā)展的特征，壩坡坡腳變形最大。

兩個(gè)剖面的應(yīng)力特征值見表3。最大主應(yīng)力分布主要受重力作用影響，與豎直向應(yīng)力分布特點(diǎn)較為接近，從大壩表面至覆蓋層地基底部位置，最大主應(yīng)力沿豎直方向不斷增大并呈現(xiàn)一定規(guī)律性。同時(shí)，在填筑分區(qū)位置（上游砂礫石料與下游爆破料分界線）出現(xiàn)一條不太明顯的錯(cuò)位現(xiàn)象，說明在分界面存在應(yīng)力突變和剪切作用，施工時(shí)要注意分區(qū)部位的施工質(zhì)量，保證填筑碾壓水平。將壩體和地基分開來看，從大壩表面到大壩底部、地基建基面到地基底面最小主應(yīng)力呈增大趨勢(shì)。

4?模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

壩0+475剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)見圖5。施工期實(shí)測(cè)變形結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖6，其中實(shí)測(cè)時(shí)間為大壩填筑到高程1 795 m時(shí)。壩體最大沉降量發(fā)生在1/3壩高位置。在高程1 671.0 m和高程1 711.0 m，壩體最大沉降量分別為0.32、0.55 m，覆蓋層變形量占?jí)误w最大沉降量的58%。河床深厚覆蓋層產(chǎn)生的壓縮變形對(duì)壩體的沉降變形影響較大。地基天然砂礫石是很好的面板壩筑壩材料，其碾壓后具有較大的變形模量使得后期變形較小，下游爆破料強(qiáng)度相對(duì)較低，故壩體實(shí)測(cè)沉降峰值略偏向下游爆破料區(qū)。

根據(jù)靠近壩軸線測(cè)點(diǎn)（TC3-3、TC2-4、TC1-5）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，沿豎直方向向下壩體沉降變形規(guī)律為初期變形較小，施工作業(yè)面以下10 m范圍內(nèi)，沉降變形不超過10 cm;從施工作業(yè)面以下約35 m開始?jí)误w沉降變形增長(zhǎng)較快;再向下，每向下10 m壩體沉降變形增加4.5 cm左右。在建基面（高程1 671.0 m）附近，壩體沉降量為43 cm。數(shù)值計(jì)算沉降變形均大于相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值，但與實(shí)測(cè)變形趨勢(shì)較為吻合。上游側(cè)存在一定偏差但誤差在10 cm以內(nèi)，數(shù)值模型可較為精確地模擬深厚覆蓋層上面板堆石壩的變形。

5?壩體填筑過程對(duì)沉降變形影響分析

壩0+475剖面1 671.00 m高程下，編號(hào)為TC1-1～TC1-7水管式沉降儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)該剖面壩上0+260、壩下0+192、壩上0+125、壩上0+056、壩下0-010、壩下0-081、壩下0-152位置。模擬了分層填筑施工的過程，在數(shù)值模擬軟件中利用hist命令跟蹤監(jiān)測(cè)壩0+475剖面在高程1 671.0 m下對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的沉降值，分析壩體填筑過程對(duì)其沉降變形的影響，見圖7。

大壩填筑過程的沉降變形

TC1-1、TC1-2位于壩體上游砂礫石料區(qū)，TC1-1處和TC1-2處沉降速度約為1 cm/8 m和1.5 cm/8 m。在填筑到高程1 768.0 m時(shí)，兩處沉降變形速度分別增大到2 cm/8 m和3 cm/8 m。上游砂礫石料區(qū)是面板結(jié)構(gòu)的主要支承堆石體，靠近上游側(cè)變形得到一定控制，有利于改善面板的受力狀態(tài)，較小的變形對(duì)面板結(jié)構(gòu)是有利的。TC1-6位于下游側(cè)靠近壩軸線位置，TC1-5處于壩軸線上，這兩處的沉降變形幅度較大，表明在后續(xù)填筑過程中，靠近壩軸線位置的壩體沉降變形發(fā)展速度較快。高程1 680.0～1 736.0 m壩體填筑過程中，壩體沉降變形較為均勻，沉降速度為2～3 cm/8 m。高程1 736.0～1 752.0 m壩體填筑過程中，壩體沉降幅度較大，沉降速度為5～6 cm/8 m。高程1 760.0～1 825.0 m壩體填筑過程中，沉降變形速度顯著增大，其中TC1-4、TC1-5、TC1-6隨后續(xù)填筑沉降變形速度最快，為8～10 cm/8 m。

6?結(jié)?論

采用三維有限差分軟件FLAC3D對(duì)阿爾塔什水電站混凝土面板堆石壩進(jìn)行了施工期應(yīng)力變形模擬分析，將兩個(gè)斷面的模擬計(jì)算結(jié)果與大壩施工期實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)壩體填筑過程對(duì)沉降變形的影響進(jìn)行了分析。

（1）由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，壩0+160剖面和壩0+475剖面壩體內(nèi)最大沉降量均發(fā)生在大壩約1/3高度位置。不同剖面的大、小主應(yīng)力分布情況大致相同。壩體和壩基整體應(yīng)力水平較低，壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)沉降變形量吻合較好。

（2）實(shí)測(cè)壩體最大沉降變形發(fā)生在1/3壩高位置。壩0+475剖面的最大沉降量為0.55 m，覆蓋層的變形為0.32 m，覆蓋層的變形占?jí)误w最大沉降變形的58%。河床深厚覆蓋層產(chǎn)生的壓縮變形對(duì)壩體沉降變形影響較大。后期施工和大壩運(yùn)行過程中應(yīng)對(duì)深厚覆蓋層的變形加以關(guān)注。

（3）靠近壩軸線壩體沉降變形隨填筑過程發(fā)展較快。高程1 680.0～1 736.0 m和高程1 736.0～1 752.0 m壩體填筑過程中沉降速度為2～3 cm/8 m和5～6 cm/8 m。此時(shí)，應(yīng)綜合考慮工期影響，適當(dāng)放慢施工進(jìn)度以控制變形量，對(duì)于面板的分期澆筑應(yīng)適當(dāng)預(yù)留一定沉降期。

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【責(zé)任編輯?呂艷梅】