高面板堆石壩分期分區(qū)填筑高差對壩體變形影響研究

鄭治之，肖雨蓮，羅 悠，李洪濤，姚 強(qiáng)，張正勇

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；3.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610065）

0 引 言

混凝土面板堆石壩取材方便且造價(jià)低，易于施工，能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，已成為發(fā)展最快的壩型之一［1］。壩體變形是引起面板堆石壩面板開裂、脫空或滲漏的主要因素之一，而高面板堆石壩的分期填筑，對于壩體和面板的應(yīng)力、變形特性會(huì)產(chǎn)生一定的影響［2］。

高蓮士等［3］對高面板堆石壩進(jìn)行變形分析，認(rèn)為壩體的施工臨時(shí)剖面形狀與壩體變形特性相關(guān)。潘菲菲等［4］構(gòu)建了高面板堆石壩填筑分期斷面優(yōu)化模型，對填筑斷面的形狀和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。王仁超［5］等通過建立上庫填筑分期分區(qū)優(yōu)化模型，利用異質(zhì)粒子群算法優(yōu)化求解得到最優(yōu)的分期分區(qū)填筑方案并進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)志誠［6］對高面板堆石壩分期分區(qū)填筑方案優(yōu)化展開了研究，從填筑形式、高差控制等方面優(yōu)化分期分區(qū)填筑方案。譚麗麗［7］建立了數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化面板堆石壩分期分區(qū)填筑方案，系統(tǒng)研究了不同影響因素對壩體填筑的影響機(jī)制以及壩體變形與壩體填筑斷面分區(qū)型式、尺寸之間的關(guān)系。早期發(fā)布的混凝土面板堆石壩施工規(guī)范［8］中規(guī)定壩體分期分區(qū)上下游填筑高差應(yīng)不大于40 m，而新發(fā)布的規(guī)范［9］將其修訂為30 m。為研究實(shí)際工程中填筑高差對壩體變形的影響，本文運(yùn)用FLAC3D對阿爾塔什面板堆石壩進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到填筑高差對壩體應(yīng)力變形的影響規(guī)律并提出高差控制參數(shù)。

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程是新疆葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，水庫總庫容22.49 億m3，正常蓄水位182.0 m，電站裝機(jī)容量755 MW。擋水壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩頂寬度為12 m，壩長795 m，最大壩高164.8 m，覆蓋層地基最大厚度為94 m，上游主堆石區(qū)采用砂礫石料，上游壩坡坡度為1∶1.7，下游壩坡坡度為1∶1.6。壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面圖如圖1所示，壩體材料分區(qū)主要分為：上游蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層料區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡料區(qū)、砂礫料區(qū)、石方利用料區(qū)、爆破料區(qū)、水平排水料區(qū)。

圖1 大壩橫剖面圖Fig.1 A cross section of the dam

2 數(shù)值模擬

采用ANSYS 軟件進(jìn)行前處理，建立大壩三維模型圖，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息和單元信息另存為.lis 文件，導(dǎo)入FLAC3D中對模型進(jìn)行材料賦值、設(shè)置邊界條件、加載信息等處理后進(jìn)行求解，最后利用Tecplot軟件對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。數(shù)值計(jì)算模擬了壩體和覆蓋層地基，網(wǎng)格尺寸控制為4 m，其基本計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 基本計(jì)算流程圖Fig.2 Basic calculation flow chart

因FLAC3D、ANSYS 等大型數(shù)值模擬軟件中沒有內(nèi)置的鄧肯-張模型，且FLAC3D中自帶的FISH 語言并不能實(shí)現(xiàn)新本構(gòu)模型的開發(fā)，故采用VS2010 軟件中的c++編程模塊，利用插件在VS2010 中生成與FLAC3D軟件聯(lián)機(jī)的模型模板，再修改內(nèi)置本構(gòu)模型編碼。

2.1 計(jì)算模型

對于面板堆石壩，承受的荷載主要是壩體自重和水壓力，本文僅研究施工期變形特性，因此水荷載可忽略，僅考慮重力荷載。地基覆蓋層高94 m，壩體高度為164.8 m，壩長795 m，大壩與地基整體模型在x方向的范圍為0～845 m，在y方向的范圍為0～258.8 m，在z方向的范圍為0～795 m。約束模型底面y=0和約束模型側(cè)面z=0、z=-795 m，x=0、x=845 m，三維網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 壩體與地基三維網(wǎng)格模型Fig.3 3D mesh model of dam and foundation

2.2 材料參數(shù)

筑壩材料采用本次開發(fā)的鄧肯-張模型，混凝土面板采用彈性模型，壩體、面板及接觸面的材料參數(shù)如表1～3所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)表［10］Tab.1 Model calculation parameter block

表2 面板計(jì)算參數(shù)表Tab.2 Panel calculation parameter block

表3 接觸面單元計(jì)算參數(shù)表Tab.3 Calculation parameters of contact surface element block

2.3 計(jì)算方式

對于高面板堆石壩，全斷面一次填筑不能滿足防洪度汛及施工進(jìn)度等要求時(shí)，需采用分期分區(qū)的填筑方法。分期分區(qū)填筑分為全斷面平起填筑和錯(cuò)臺(tái)填筑，反抬高下游的錯(cuò)臺(tái)填筑形式一期填筑高差大，填筑方量大，有利于加快施工進(jìn)度和提前形成擋水條件且可有效協(xié)調(diào)上下游堆石區(qū)界面以及臨時(shí)斜坡位置處的變形。故采用反抬高下游的填筑形式研究分期分區(qū)填筑臨時(shí)斷面上下游高差對壩體變形的影響，通過改變一期壩體填筑末期，即圖4中Ⅰ-4 部分壩體上下游填筑高差，用FLAC3D軟件分別計(jì)算了阿爾塔什堆石壩一、二期填筑臨時(shí)斷面施工新、老填筑體的高差為5、10、15、20、25、30 m六種情況下的壩體應(yīng)力變形分布，對6 種方案進(jìn)行比較分析。以高差5 m 為例，填筑示意圖如圖4所示。

圖4 分期分區(qū)填筑示意圖（單位：m）Fig.4 Diagram of filling by stages and zoning

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 一期壩體填筑完成后的壩體應(yīng)力變形

各方案的上下游填筑高差的不同體現(xiàn)在Ⅰ-4壩體填筑上，因此重點(diǎn)關(guān)注壩體在一期壩體填筑完成以后的壩體應(yīng)力變形，計(jì)算結(jié)果見圖5。

由圖5（a）可見，一期壩體填筑完成以后，隨著上下游填筑高差的增加，豎直沉降呈現(xiàn)指數(shù)型增長，尤其明顯的是當(dāng)上下游高差達(dá)到30 m 時(shí)，壩體豎直沉降最大值達(dá)到了84.8 cm，與高差為5 m 時(shí)壩體最大沉降值47.6 cm 相比，前者為后者的1.78倍。

由圖5（b）可見，隨著上下游填筑高差的增加，上下游水平位移先減小再增長，在高差10 m 時(shí)同步出現(xiàn)拐點(diǎn)，高差大于10 m 以后，下游側(cè)水平位移急劇增長，上游側(cè)水平位移變化不大，因此上下游水平位移差也隨之顯著增長。

由圖5（c）可見，壩體最大和最小主應(yīng)力值隨填筑高差變大而呈現(xiàn)增加的趨勢。當(dāng)上下游高差達(dá)到30 m時(shí)，壩體最大主應(yīng)力的最大值達(dá)到了2.23 MPa，與高差為5 m 時(shí)壩體最大主應(yīng)力的最大值1.95 MPa相比，前者為后者的1.14倍。

圖5 一期壩體填筑后壩體應(yīng)力變形圖Fig.5 Stress and deformation diagram of dam body after the first phase of dam body filling

由分期填筑方案可知，填筑高差越大，一期壩體填筑方量越大，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得填筑高差越大會(huì)造成較大的應(yīng)力變形，從而使得上下游材料分區(qū)部位存在更大的概率朝向下游座落變形，可能會(huì)產(chǎn)生不利的剪切變形，也使得一期面板澆筑以后，發(fā)生面板脫空的幾率也增加了，對面板穩(wěn)定不利。

3.2 同一高程上下游各特征點(diǎn)沉降結(jié)果分析

為了進(jìn)一步分析填筑高差對壩體沉降變形的影響，如圖6所示，在1 739 m高程處選取了10個(gè)特征點(diǎn)，沿順坡向從上游到下游依次分布，特征點(diǎn)1～5 位于壩體上游側(cè)，特征點(diǎn)5 和6 之間為壩體上下游材料分界線，特征點(diǎn)6～10 位于壩體下游側(cè)，特征點(diǎn)1～3 大致位于臨時(shí)斜坡的坡底、坡中和坡頂位置在高程1 739 m 水平面上的投影點(diǎn)。一期壩體填筑完成后各特征點(diǎn)位置處沉降結(jié)果如圖7所示。

圖6 1 739 m高程處特征點(diǎn)位置（單位：m）Fig.6 The position of feature points at the elevation of 1 739 m

圖7 1 739 m高程處各特征點(diǎn)沉降值Fig.7 Settlement values at each feature point at the elevation of 1 739 m

變形傾度法是一種常用的土石壩裂縫估算方法，彭翀等［11］將有限元變形分析與變形傾度法相結(jié)合，應(yīng)用于糯扎渡高心墻堆石壩的裂縫分析，其原理如圖8所示。在大壩同一高程處，取兩觀測點(diǎn)a、b，兩點(diǎn)間水平距離為Δl，某一計(jì)算日期Tj兩點(diǎn)累計(jì)沉降量分別為Sa和Sb，則定義a和b在日期Tj的變形傾度為：

圖8 變形傾度法示意圖［12］Fig.8 Schematic diagram of deformation inclination method

式中：γ為變形傾度；ΔS為該時(shí)刻兩點(diǎn)間的累計(jì)沉降差，ΔS=|Sa-Sb|；Δl為兩點(diǎn)間水平距離；δ為沉降點(diǎn)連線與水平面的夾角。

假設(shè)土體產(chǎn)生張拉裂縫的臨界變形傾度為γc，當(dāng)γ≥γc時(shí)，則認(rèn)為土層該處可能發(fā)生剪切破壞；反之，則不發(fā)生。參考工程經(jīng)驗(yàn)，γc一般取1%。

以變形傾度法計(jì)算不同填筑高差下一期壩體填筑完成后1 739 m 高程處各特征點(diǎn)間的變形傾度。各相鄰特征點(diǎn)的水平距離均為30 m，由圖7可知，特征點(diǎn)9 和10 間的累計(jì)沉降差最大。經(jīng)計(jì)算得，高差25 m 時(shí)，特征點(diǎn)9 和10 間的變形傾度γ=0.78%，高差30 m 時(shí)，特征點(diǎn)9 和10 間的變形傾度γ=1.02% ＞γc=1%。由此可得，當(dāng)填筑高差達(dá)到30 m 時(shí)，土體可能會(huì)發(fā)生剪切破壞。

因相鄰特征點(diǎn)水平距離相同，故相鄰兩點(diǎn)間變形傾度與兩點(diǎn)累計(jì)沉降差成正比。則由圖7可以看出，各方案下各特征點(diǎn)沉降分布規(guī)律大致相同：從整體來看，壩體下游側(cè)比上游變形傾度更大；從局部來看，臨時(shí)斜坡位置處和上下游材料分界線處沉降變形傾度更大。相同位置處，相鄰特征點(diǎn)變形傾度隨填筑臨時(shí)斜坡高差增加呈現(xiàn)遞增的趨勢，在上下游填筑高差達(dá)到30 m 時(shí)，變形傾度達(dá)到臨界變形傾度。因此，建議上下游填筑高差應(yīng)小于30 m。

3.3 后續(xù)填筑對一期面板變形的影響分析

在反抬高下游的填筑形式下，一期壩體填筑結(jié)束后澆筑一期面板，由實(shí)際工程施工經(jīng)驗(yàn)可知，在后續(xù)壩體填筑影響下，由于后續(xù)二期、三期壩體仍有大方量堆石需要填筑，壩體變形及應(yīng)力分布會(huì)繼續(xù)發(fā)展。因一期面板的主要支撐結(jié)構(gòu)就是一期壩體，后期填筑造成的壩體變形增長對于已經(jīng)澆筑完成的一期面板是不利的，因此需要進(jìn)一步關(guān)注后期填筑過程中一期面板的應(yīng)力變形分布情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對比分析不同填筑高差下的面板受力狀況。

一期面板頂部澆筑高程為1 715 m，數(shù)值模擬計(jì)算中追蹤此高程位置處的應(yīng)力變形隨后續(xù)填筑施工過程的增長特點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 一期面板后續(xù)填筑過程應(yīng)力變形變化圖Fig.9 Stress deformation change diagram of phase I panel during subsequent filling process

由圖9（a）可知，各種填筑形式下，面板變形變化規(guī)律大致相同：①一期面板隨后續(xù)填筑高度增加，面板變形也隨之變大；②二期壩體填筑時(shí)，面板變形增長較快，而三期壩體填筑時(shí)，面板變形增長速度較慢；③填筑高差大于10 m時(shí)，高差越大，竣工期面板變形越大。當(dāng)填筑高差達(dá)到30 m時(shí)，面板變形最大值達(dá)到65.09 mm。④當(dāng)上下游填筑高差為5 m 時(shí)，二期壩體的填筑對面板變形影響較為顯著，二期壩體填筑完成以后達(dá)到1 778 m高程，面板變形增加了19.9 mm。由填筑分期方案可知，當(dāng)上下游填筑高差越小，二期壩體填筑方量越大，且該部分壩體高程較高，而填筑剖面相對較小，使得壩體往上游側(cè)擠壓面板的效應(yīng)更加明顯。由此可知，并不是上下游填筑高差越小對壩體及面板越有利。

由圖9（b）可知，各種填筑形式下，面板應(yīng)力變化規(guī)律大致相同：①一期面板隨后續(xù)填筑高度增加，面板應(yīng)力也隨之變大；②二期面板和三期面板澆筑對一期面板應(yīng)力影響不大，而三期壩體的填筑對面板應(yīng)力影響較明顯；③填筑高差不同，竣工期面板應(yīng)力值不同，整體表現(xiàn)為應(yīng)力隨著高差變大而遞增的趨勢；④填筑高差不同，面板應(yīng)力變化速率也不同。上下游填筑高差為30 m 時(shí)，三期壩體填筑過程中面板應(yīng)力變化幅度最大，增加了3 246.79 kPa，大約是高差5 m 時(shí)面板應(yīng)力增加值的2.4倍。

4 結(jié) 論

（1）一期壩體填筑完成以后，隨著上下游填筑高差的增加，豎直沉降呈指數(shù)型增長，主應(yīng)力最大值呈逐漸增加的趨勢，高差大于10 m以后，下游側(cè)水平位移急劇增長。當(dāng)填筑高差達(dá)到30 m 時(shí)，壩體最大豎直沉降84.8 cm，上游側(cè)水平位移12.9 cm，最大主應(yīng)力2.23 MPa。

（2）在同一高程處，相鄰特征點(diǎn)變形傾度隨著填筑臨時(shí)斜坡高差增加呈現(xiàn)遞增的趨勢，在上下游填筑高差達(dá)到30 m 時(shí)，變形傾度達(dá)1.02%，超過臨界變形傾度，土體可能發(fā)生剪切破壞。較小的填筑高差下，二期壩體的填筑對一期面板變形增加影響顯著，較大的填筑高差下，三期壩體的填筑對一期面板主應(yīng)力增加影響較明顯。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析得到，填筑高差越大對壩體應(yīng)力變形和面板受力更不利，當(dāng)填筑高差達(dá)到30 m 時(shí)，壩體將發(fā)生剪切破壞。因此在設(shè)計(jì)填筑方案時(shí)，高面板堆石壩反抬高下游的填筑形式下錯(cuò)臺(tái)填筑高差建議不超過30 m。