金佛山面板堆石壩滲流特性及靜力有限元分析

徐家始，卓莉，謝紅強(qiáng)*，肖明礫

(1.重慶市金佛山水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶，401336；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水利水電學(xué)院，成都，610065)

1 引言

混凝土面板堆石壩的經(jīng)濟(jì)適用性、施工效率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全可靠度以及抗震性能較好，從勘察、設(shè)計(jì)以及施工運(yùn)行全過(guò)程均表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，已成為現(xiàn)階段頗具競(jìng)爭(zhēng)力且使用廣泛的實(shí)用壩型之一[1]。我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始采用碾壓式的混凝土面板堆石壩，經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，在設(shè)計(jì)和施工方面都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，隨著研究的深入，在堆石壩理論研究、分析方法以及安全監(jiān)測(cè)等方面都取得了大量的成果[2]。

堆石體作為面板壩結(jié)構(gòu)的主體，其變形控制和壩體變形協(xié)調(diào)成為大壩結(jié)構(gòu)安全的決定性因素[3-5]，壩體的應(yīng)力應(yīng)變分析是面板堆石壩設(shè)計(jì)工作中必不可少的一部分，對(duì)設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義[6-7]。為全面快速地評(píng)價(jià)大壩設(shè)計(jì)合理性，數(shù)值模擬成為了分析壩體變形應(yīng)力規(guī)律的有效手段。因此，本文結(jié)合金佛山面板堆石壩壩區(qū)地質(zhì)水文資料及設(shè)計(jì)方案，開(kāi)展典型剖面的壩體及地基的有限元模擬。揭示壩體-壩基的滲流特性和壩體靜力結(jié)構(gòu)特性，為滲控措施有效性及壩體安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程概況及模型

2.1 工程概況

金佛山水利工程是以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的水利工程。壩址以上控制集雨面積為180.8km2，水庫(kù)總庫(kù)容1.01億m3，攔河壩壩型為混凝土面板堆石壩，設(shè)計(jì)壩頂高程839.80m，壩頂寬9.0m，最大壩高109.80m，壩頂軸線長(zhǎng)298.20m。堆石壩上下游邊坡均采用1∶1.4。壩體典型斷面如圖1所示，根據(jù)水庫(kù)調(diào)洪演算，正常蓄水位壩前水位為836m，下游水位為738.9m。

壩體從上游向下游依次分為：蓋重區(qū)、上游粘土鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、排水堆石區(qū)。壩體墊層料、過(guò)渡料、主堆石采用甑子巖灰?guī)r料；次堆石區(qū)主要采用甑子巖灰?guī)r料以及大壩泄洪放空建筑、左岸近壩庫(kù)岸邊坡開(kāi)挖的小河壩組新鮮及風(fēng)化石英粉砂巖開(kāi)挖料和頁(yè)巖料；壩體填筑材料不足部分采用貓千溝堆料場(chǎng)材料。

圖1 大壩典型斷面

2.2 典型剖面有限元模型

針對(duì)壩體區(qū)域的地形地質(zhì)條件，結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)與地基空間相對(duì)位置，沿壩軸線選取2個(gè)典型剖面進(jìn)行有限元計(jì)算，分別為壩體最大剖面5-5剖面(壩X0+050)、建基面起伏較大剖面9-9剖面(壩X0+190)，如圖2、圖3所示。

圖2 壩體最大剖面(5-5剖面)有限元計(jì)算模型

圖3 建基面起伏較大剖面(9-9剖面)有限元計(jì)算模型

有限元計(jì)算模型建立時(shí)充分考慮壩體的各滲透分區(qū)及填筑材料分區(qū)界限。整個(gè)計(jì)算域采用空間八節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行離散(局部考慮材料介質(zhì)過(guò)渡和地形變化等因素退化為三棱柱和四面體單元)，整個(gè)計(jì)算模型根據(jù)地層及壩體分區(qū)分為多個(gè)材料區(qū)域。

2.3 材料力學(xué)參數(shù)

壩體墊層料、過(guò)渡料、主堆石采用甑子巖灰?guī)r料；次堆石區(qū)主要采用甑子巖灰?guī)r料、大壩泄洪放空建筑、左岸近壩庫(kù)岸邊坡開(kāi)挖的小河壩組新鮮及風(fēng)化石英粉砂巖開(kāi)挖料和頁(yè)巖料；795m高程以上壩體筑壩材料采用貓千溝堆料場(chǎng)材料。根據(jù)地勘提供的參數(shù)建議值以及填筑材料試驗(yàn)研究確定各分區(qū)材料的計(jì)算力學(xué)參數(shù)，詳見(jiàn)表1-表3。

表1 混凝土面板及基巖力學(xué)參數(shù)

表2 壩體主要材料滲透系數(shù)參數(shù)取值

表3 壩體及地基材料的鄧肯-張(E-B)模型參數(shù)

3 壩體及壩基滲流特性研究

為準(zhǔn)確反應(yīng)水庫(kù)蓄水期壩體和壩基滲透特性，以及滲流對(duì)壩體的影響，在分析壩址區(qū)地形、地質(zhì)、水文以及壩體結(jié)構(gòu)滲透特性的基礎(chǔ)上，基于ANSYS計(jì)算軟件對(duì)壩體滲流開(kāi)展分析。

圖4、圖5分別給出了不同壩體及地基典型剖面在正常蓄水工況下的壓力水頭等值線圖。由浸潤(rùn)線可以看出，壩體的滲透壓力在面板和防滲帷幕部位急劇下降，壩體填筑材料基本處于浸潤(rùn)線以上，有利于壩體的穩(wěn)定，下游溢出點(diǎn)高程與下游河床基本齊平。

圖4 正常蓄水條件下5-5剖面滲透壓力等值線

圖5 正常蓄水條件下9-9剖面滲透壓力等值線

表4給出了不同剖面面板、防滲帷幕及地基在正常蓄水條件下的滲流量。在正常蓄水條件下壩址區(qū)柏枝溪響水河段(河床平均寬度36m)的多年平均流量為4.14m3/s，從表中可以看出各剖面的總滲漏量與來(lái)流量的比值極小，面板和防滲帷幕的防滲性較好，通過(guò)地基(基巖)產(chǎn)生的滲流約占總滲流量的85.53%、72.53%。

表4 正常蓄水條件下壩體及地基的滲流量統(tǒng)計(jì)

圖6給出了不同剖面在正常蓄水工況下地基的滲透比降等值線分布圖。從圖中可知，5-5剖面、9-9剖面地基的滲透比降最大值出現(xiàn)在高高程防滲帷幕區(qū)域，分別為0.80、0.36，均小于強(qiáng)風(fēng)化基巖的允許滲透比降5，地基不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

(a)5-5剖面

(b)9-9剖面

表5給出了面板及防滲帷幕特征部位的滲透比降值。從表中可知，在正常蓄水條件下面板的滲透比降極值出現(xiàn)在面板上部水位線區(qū)域，5-5剖面、9-9剖面的比降極值分別為141.32、138.24，均小于面板堆石壩面板控制坡降200。防滲帷幕的滲透比降量值均較小，最大值出現(xiàn)在防滲帷幕頂部，5-5剖面、9-9剖面防滲帷幕滲透比降極值分別為5.06、1.21，遠(yuǎn)小于防滲帷幕的允許坡降50，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

表5 正常蓄水條件下面板及防滲帷幕特征部位的滲透比降

4 壩體堆石體變形及應(yīng)力特性分析

4.1 壩體堆石體位移分析

圖7、圖8給出了不同剖面完建期壩體位移等值線圖。從圖中可以看出不同剖面壩體的沉降規(guī)律基本一致，壩體鉛直向位移以沉降為主，極值發(fā)生在壩體中部，但由于不同剖面建基面高程、形態(tài)以及壩體填筑高度不同，鉛直向位移的量值不同。9-9剖面建基面整體高程較高，其鉛直向沉降較小。5-5剖面、9-9剖面的最大沉降值分別為-46cm、-25cm。

(a)壩體施工期順河向位移(cm)

(b)壩體施工期鉛直向位移(cm)

(a)壩體施工期順河向位移(cm)

(b)壩體施工期鉛直向位移(cm)

順河向位移以壩軸線為中線，壩軸線上游側(cè)壩體順河向位移主要向上游變形，壩軸線下游側(cè)順河向位移主要向下游變形。受壩體分層填筑影響，壩軸線上游側(cè)及下游側(cè)順河向位移的極值均出現(xiàn)在壩體中部高程。5-5剖面處于河谷中心，建基面高程變化幅度較小，但因下游側(cè)受次堆石填筑材料影響，下游側(cè)壩體的順河向位移較上游側(cè)大，上游側(cè)壩體和下游側(cè)壩體順河向位移分別為-2.5cm、4.5cm；9-9剖面受建基面起伏影響，上游側(cè)的填筑高度較下游側(cè)大，上游側(cè)壩體和下游側(cè)壩體順河向位移分別為-7.0cm、5.0cm，受壩軸線部位建基面的抬升，位移極值出現(xiàn)部位較5-5剖面位移極值向上、下游壩面移動(dòng)。

圖9、圖10給出了運(yùn)行期壩體位移的分布規(guī)律。從圖中可以看出運(yùn)行期壩體的位移受上游水荷載的影響較大，鉛直向位移分布規(guī)律與完建期基本相同，量值有所增加；順河向位移分布規(guī)律及量值較完建期均出現(xiàn)較大差異。鉛直向位移以沉降為主，極大值出現(xiàn)在壩體中部，5-5剖面、9-9剖面的最大沉降值分別為-50cm、-28cm，較完建期的沉降變形分別增大4cm、5cm。順河向位移受上游水推力作用，壩體整體向下游變形，5-5剖面壩體順河向位移極值出現(xiàn)在上游壩面中部高程，約為18.0cm；9-9剖面壩體順河向位移極值出現(xiàn)在次堆石靠近下游壩面中部高程，約7.0cm。

(a)壩體運(yùn)行期順河向位移(cm)

(b)壩體運(yùn)行期鉛直向位移(cm)

(a)壩體運(yùn)行期順河向位移(cm)

(b)壩體運(yùn)行期鉛直向位移(cm)

4.2 壩體堆石體應(yīng)力分析

圖11、圖12給出了不同剖面壩體完建期應(yīng)力分布規(guī)律及應(yīng)力水平狀態(tài)。從圖中可知，壩體基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)，量值隨著壩體高程的增加而逐漸降低，壩面應(yīng)力量值較壩內(nèi)應(yīng)力量值小，大主應(yīng)力極大值出現(xiàn)在壩體中間底部區(qū)域，小主應(yīng)力極小值出現(xiàn)在壩面區(qū)域。壩體應(yīng)力水平在上下游壩面中部、次堆石的應(yīng)力水平相對(duì)較高，極值出現(xiàn)在壩面部位，但均小于1.0。

(a)壩體完建期大主應(yīng)力(MPa)

(b)完建期壩體小主應(yīng)力(MPa)

(c)完建期壩體應(yīng)力水平

(a)完建期壩體大主應(yīng)力(MPa)

(b)完建期壩體小主應(yīng)力(MPa)

(c)完建期壩體應(yīng)力水平

圖13、圖14給出了運(yùn)行期壩體應(yīng)力分布規(guī)律及應(yīng)力水平狀態(tài)。從圖中可知，壩體的大小主應(yīng)力隨著壩體高程的增加而逐漸降低，壩體基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)，大主應(yīng)力極大值出現(xiàn)在壩體底部區(qū)域，小主應(yīng)力極小值出現(xiàn)在壩面區(qū)域，量值較完建期應(yīng)力量值有所增加。在正常蓄水條件下，上下游壩面中部、次堆石的應(yīng)力水平相對(duì)較高，極值出現(xiàn)在上游壩面，均小于1。5-5剖面應(yīng)力水平極大值為0.90；9-9剖面應(yīng)力水平極大值為0.75。

(a)運(yùn)行期壩體大主應(yīng)力(MPa)

(b)運(yùn)行期壩體小主應(yīng)力(MPa)

(c)運(yùn)行期壩體應(yīng)力水平(MPa)

(a)運(yùn)行期壩體大主應(yīng)力(MPa)

(b)運(yùn)行期壩體小主應(yīng)力(MPa)

(c)運(yùn)行期壩體應(yīng)力水平(MPa)

5 壩體面板變形及應(yīng)力分析

5.1 壩體面板位移分析

表6給出了不同工況下壩體面板特征部位的位移量值。從表中可知，完建工況下面板位移量值隨面板高程降低逐漸增大，受上游鋪蓋和蓋重作用，面板位移極大值出現(xiàn)在鋪蓋中部高程。運(yùn)行期在上游水荷載、面板自重、上游粘土鋪蓋及蓋重作用下，面板出現(xiàn)較大的指向下游的變形，面板位移極值出現(xiàn)在面板中部高程區(qū)域，變形量值較完建期有較大的增加。5-5剖面面板運(yùn)行期位移極值約為30.77cm；9-9剖面面板運(yùn)行期位移極值約為17.31cm。

表6 壩體面板特征部位的位移值 (單位：cm)

5.2 壩體面板應(yīng)力分析

表7給出了壩體面板特征部位的應(yīng)力值。完建工況下在面板自重、上游粘土鋪蓋及蓋重作用下，混凝土面板的大主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，并隨面板高程的降低而增大。在運(yùn)行工況水荷載作用下，鋼筋混凝土面板局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力主要由鋼筋混凝土的受力鋼筋承擔(dān)，若配筋滿(mǎn)足抗裂驗(yàn)算便能保證防滲體系的安全及有效性。

表7 壩體面板特征部位的應(yīng)力值 (單位：MPa)

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)金佛山面板堆石壩的滲流特性和靜動(dòng)力結(jié)構(gòu)特性分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)在正常蓄水條件下壩體的滲透壓力在面板和防滲帷幕部位急劇下降，壩體基本處于浸潤(rùn)線以上，下游溢出點(diǎn)高程與下游河床基本齊平，有利于壩體的穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)防滲體的滲流量約占總滲流量的15%～27%，面板及防滲帷幕防滲效果明顯。面板、防滲帷幕、地基基巖的滲透比降均小于相應(yīng)的允許坡降，壩體及壩基在面板和防滲措施有效運(yùn)行條件下不會(huì)出現(xiàn)滲透破壞。

(2)完建期和運(yùn)行期壩體的變形符合土石壩變形的一般規(guī)律，壩體鉛直向沉降極值出現(xiàn)在壩體內(nèi)中部高程，向壩面及壩基方向逐漸減小，順河向位移以壩軸線為中線分別向上下游臨空面變形。

(3)壩體基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)，上下游壩面中部高程、次堆石的應(yīng)力水平相對(duì)較高，極值出現(xiàn)在壩面部位，但均小于1.0，應(yīng)嚴(yán)格控制上游墊層區(qū)域及下游壩面部位的材料填筑碾壓質(zhì)量，以保證安全性。