水庫大壩應(yīng)力變形及抗水力劈裂探討

徐生凌

(新疆昌吉州呼圖壁河流域管理處，新疆 昌吉 831200)

目前，對(duì)于心墻堆石壩的研究資料顯示，水庫在進(jìn)行初次快速蓄水時(shí)將會(huì)對(duì)壩體產(chǎn)生一定的不良影響，如大壩在填筑完畢后進(jìn)行迅速地蓄水將會(huì)導(dǎo)致壩體出現(xiàn)橫向、縱向的裂縫，或是發(fā)生壩殼濕陷變形、加劇心墻堆石壩拱效應(yīng)、壩頂沉降速率及位移速率提升等問題[1-2]。由此可見，在進(jìn)行心墻堆石壩的初次蓄水時(shí)需要依據(jù)大壩的實(shí)際情況進(jìn)行蓄水速率的分析。本研究將以大壩應(yīng)力變形及心墻抗水力劈裂為研究的重點(diǎn)，探究二者與大壩蓄水速率之間的關(guān)系，并據(jù)此提出適合的初次蓄水速率方案。

1 工程概況

某水電站是流域中重要的水利水電工程，大壩主體結(jié)構(gòu)為心墻堆石壩結(jié)構(gòu)，其剖面為中央直立心墻式，心墻的填筑材料為天然土以及35%人工碎石心墻摻礫料，施工時(shí)考慮到對(duì)心墻土料的保護(hù)，在心墻的上下游各設(shè)置了反濾層，其中上游Ⅰ反濾層寬度為4 m、下游Ⅱ反濾層寬度為6 m，為了使心墻的變形趨勢(shì)與壩殼堆石體相一致，在上、下游反濾層與堆石料之間修筑了寬度為10 m的細(xì)堆石過渡料區(qū)。壩頂寬度為18 m，上游設(shè)計(jì)坡度比為1∶1.9，下游設(shè)計(jì)坡度比為1∶1.8。

該水利樞紐工程始建于2011年5月，于2014年年底進(jìn)行截流，2017年年底初次下閘蓄水；大壩于2017年汛前完成心墻填筑高程至327.0 m；2018年心墻填筑高程至377.0 m；2019年度壩體高程全面修筑至404.0 m，并于年底完成壩體的整體填筑工程高程達(dá)到423.5 m。

根據(jù)對(duì)該大壩設(shè)計(jì)多水年來水保證率(15%)蓄水過程顯示，當(dāng)水位高程處于327.0以下時(shí)蓄水的上升速度較快(最高速率為9.25 m/d)；蓄水高程處于327.0～404.0 m時(shí)，蓄水速率較為均勻(最高速率為0.84 m/d);而水位高程到達(dá)404.0 m時(shí)，蓄水速率極為緩慢，最高為0.17 m/d。

2 初期蓄水速率與大壩應(yīng)力變形分析

2.1 本構(gòu)模型分析

鄧肯E-B模型能夠直觀地反映出大壩填筑材料的非線性應(yīng)力變化趨勢(shì)，而目前對(duì)于堆石料的分析也普遍采用該模型，并且通過進(jìn)行E-B模型分析，可以更好地為水利樞紐工程的設(shè)計(jì)及施工提供可靠、科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。因此，本次研究中本構(gòu)模型的分析將采用E-B模型分析心墻、過渡料、壩殼料以及河床覆蓋層區(qū)域的本構(gòu)關(guān)系。E-B模型中的計(jì)算公式(1)～公式(3)表示為：

(1)

(2)

(3)

式中：Et為切線的變形模量,MPa；K為切線的模量基數(shù)；σ3為圍壓，MPa;Pa為大氣壓，kPa；n為切線的模量指數(shù)；Rf為破壞比；σ1為三軸試驗(yàn)時(shí)壩體填筑材料破壞時(shí)主應(yīng)力，MPa;φ為壩體填筑材料的內(nèi)摩擦角,(°)；c為壩體填筑材料的黏聚力,MPa；Eur為初始彈性模量,MPa；Kur為加載彈性模數(shù),由試驗(yàn)測(cè)得；nur為加載彈性指數(shù),由試驗(yàn)測(cè)得；Bt為切線的體積模量；Kb為體積彈性模數(shù),由試驗(yàn)測(cè)得；m為體積模量指數(shù),由試驗(yàn)測(cè)得。

通過E-B模型分析壩體各材料參數(shù)結(jié)果如表1所示,表中Γd壩體材料密度；φ0為σ3=Pa時(shí)φ值；Δφ反應(yīng)φ值隨σ3而降低的一個(gè)參數(shù)。

表1 E-B模型分析壩體各材料參數(shù)結(jié)果

2.2 施工蓄水過程

本研究中蓄水過程主要?jiǎng)澐譃?個(gè)次序，計(jì)算時(shí)將采用逐級(jí)加載的方式，隨堆石壩壩體分層碾壓填筑施工同步完成。分階段極限蓄水過程如表2所示。

表2 分階段蓄水過程

2.3 有限元模型構(gòu)建

為了更加全面的分析大壩應(yīng)力變形的特性，構(gòu)建出壩體、壩基覆蓋層以及部分基巖的有限元模型，并將水壓力荷載作用于心墻上游面，所構(gòu)建的有限元模型將采用八節(jié)點(diǎn)六面體進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，共由29 765個(gè)節(jié)點(diǎn)以及26 997個(gè)單元構(gòu)成。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元計(jì)算模型

3 結(jié)果分析

為了能夠更加準(zhǔn)確地分析出心墻的水力劈裂效應(yīng)，在心墻“水壓楔劈”效應(yīng)的基礎(chǔ)上在大壩上游心墻表面設(shè)置滲透弱面單元(如圖2所示)。

圖2 水壓楔劈效應(yīng)及心墻表面滲透弱面單元示意圖

3.1 蓄水條件下大壩的應(yīng)力變形特性分析

根據(jù)E-B模型條件下不同蓄水條件所對(duì)應(yīng)的壩體應(yīng)力變形特征數(shù)值如表3所示。

表3 不同計(jì)蓄水條件下壩體應(yīng)力變形特征數(shù)值

壩體施工至壩頂、蓄水位高程為414 m狀體下的壩體順河向位移分布及豎向沉降分布如圖3所示。

圖3 基本計(jì)算工況下壩體順河向位移分布及豎向沉降分布等值線

根據(jù)上述分析結(jié)果可知：在不同工況下壩體向上下游的水平位移分別在22.30～29.72 cm、29.34～52.57 cm 的范圍，向上游水平位移呈現(xiàn)出增長(zhǎng)主要發(fā)生在工程填筑施工階段，在蓄水時(shí)隨著水位高程的增加反而呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，向下游水平位移的變化趨勢(shì)在填筑施工以及蓄水過程中均呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的狀態(tài)。蓄水位高程達(dá)到414 m時(shí)處于最大值，達(dá)到52.6 cm；在不同工況下大壩壩體的最大沉降值差異不顯著，并且在水庫蓄水后出現(xiàn)部分抬升的情況，當(dāng)壩體施工至壩頂且蓄水水位高程達(dá)到414 m后壩體的最大沉降值為188.0 cm，且不同工況下壩體的最大沉降值均出現(xiàn)在壩高1/2略下的區(qū)域；根據(jù)不同蓄水條件下壩體應(yīng)力變形特征數(shù)值結(jié)果，豎向應(yīng)力與自重應(yīng)力之比(σz/γh)顯示，在不同工況下均在0.5～0.7范圍內(nèi)，說明心墻拱效應(yīng)極為顯著。此外，大壩上游的壩殼應(yīng)力數(shù)值較大，雖然心墻上游數(shù)值達(dá)到0.9，但不會(huì)引起壩殼向上游滑動(dòng)的情況發(fā)生，更不會(huì)對(duì)壩體整體穩(wěn)定性造成不良影響[3-4]。

3.2 蓄水速度對(duì)大壩應(yīng)力變形特性的影響分析

根據(jù)大壩在不同蓄水速率狀態(tài)下壩體的應(yīng)力變形情況可以發(fā)現(xiàn)，大壩蓄水速率對(duì)其應(yīng)力變形的影響相對(duì)較小，并且在不同的蓄水速率條件下，大壩的滿蓄應(yīng)力分布以及壩體的位移分布的差異均較?。淮髩螇误w水平位移分布具有一定的差異，并且差異不具有全局性(具有較大的限制)[5-6]。不同蓄水速率下心墻軸線上水平位移分布曲線示意圖如圖4所示。

3.3 心墻的抗水力劈裂特性

采用心墻水壓楔劈效應(yīng)以及上游心墻表面設(shè)置滲透弱面單元的方式時(shí)，滲透弱面尖端單元的有效應(yīng)力將會(huì)隨著蓄水水位的上升，以沿壩軸向的形式持續(xù)降低，降低約40%～80%，并且尖端單元沿壩軸向應(yīng)力的減少程度與蓄水速凍呈現(xiàn)為正比關(guān)系，說明在蓄水速度過快的情況下心墻發(fā)生水力劈裂的幾率會(huì)增加[7]。

圖4 不同蓄水速率下心墻軸線上水平位移分布曲線示意圖

通過變形傾度以及剪切應(yīng)變控制式評(píng)估大壩壩頂縱向、橫向存在發(fā)生裂縫的可能性，其驗(yàn)證結(jié)果顯示，在不同的蓄水速率下壩頂變形傾度均在1%以下(所得結(jié)果數(shù)值越小發(fā)生裂縫的可能性就越低)；各工況下壩頂區(qū)域的剪應(yīng)變數(shù)值趨向于1%，數(shù)值結(jié)果均較低，說明在壩頂靠近兩側(cè)岸坡區(qū)域發(fā)生裂縫的可能性極低[8-9]。

4 結(jié) 論

通過對(duì)大壩初次蓄水速度與大壩應(yīng)力變形、抗水力劈裂關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1)大壩蓄水速率對(duì)其應(yīng)力變形的影響相對(duì)較小，并且在不同的蓄水速率條件下，大壩的滿蓄應(yīng)力分布以及壩體的位移分布的差異均較??；大壩壩體水平位移分布具有一定的差異，并且差異不具有全局性(具有較大的限制)。

(2)滲透弱面尖端單元的有效應(yīng)力將會(huì)隨著蓄水水位的上升，以沿壩軸向的形式持續(xù)降低，降低約40%～80%，并且尖端單元沿壩軸向應(yīng)力的減少程度與蓄水速率呈現(xiàn)為正比關(guān)系，說明當(dāng)蓄水速度過快的情況下將會(huì)增加心墻發(fā)生水力劈裂的幾率，各工況下壩頂區(qū)域的剪應(yīng)變數(shù)值趨向于1%，數(shù)值結(jié)果均較低，說明在壩頂靠近兩側(cè)岸坡區(qū)域發(fā)生裂縫的可能性極低。