中厚覆蓋層上中低面板堆石壩變形特性有限元分析

陳 飄鄧成發(fā)劉正國(guó)

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心 浙江杭州 310012；2.浙江廣川工程咨詢有限公司 浙江杭州 310012；3.浙江省水利河口研究院 浙江杭州 310012)

中厚覆蓋層上中低面板堆石壩變形特性有限元分析

陳 飄1鄧成發(fā)2劉正國(guó)3

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心 浙江杭州 310012；2.浙江廣川工程咨詢有限公司 浙江杭州 310012；3.浙江省水利河口研究院 浙江杭州 310012)

針對(duì)應(yīng)用更為廣泛的中厚覆蓋層上中低面板堆石壩變形特性進(jìn)行了有限元分析，研究了面板堆石壩竣工期及蓄水期的堆石體及面板的變形特性，計(jì)算結(jié)果表明：相比于竣工期，蓄水期壩體最大豎向位移，向下游的水平位移，大壩大、小主應(yīng)力及應(yīng)力水平均有所增加，其中以大壩水平位移增加最為明顯，約增加1倍左右，豎向位移增加幅度約為8%，大、小主應(yīng)力增加10%～20%，應(yīng)力水平增加約50%。

有限元 面板堆石壩 覆蓋層 撓度

引言

面板堆石壩由于其安全性、經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性良好等特點(diǎn)，深受壩工界的青睞，經(jīng)常成為首先的比選壩型。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2011年底中國(guó)已建成、在建和擬建的混凝土面板堆石壩已達(dá)305 座，其中壩高100 m 及以上的高混凝土面板堆石壩有94 座，高壩中已建成48 座，在建20 座，擬建26 座。這些面板壩的建設(shè)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)也積累了豐富的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，受到國(guó)際同行們的重視和關(guān)注。

在諸多已建或在建的面板堆石壩中有相當(dāng)一部分是在覆蓋層上直接建造。甘肅的九甸峽混凝土面板堆石壩是目前已經(jīng)建成的最高的深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩， 壩高136m，覆蓋層最大厚度56m，一些建基于深厚覆蓋層上的200m 級(jí)高壩也正在建設(shè)或設(shè)計(jì)中。對(duì)于在深厚覆蓋層上建壩，國(guó)內(nèi)廣大科研院所進(jìn)行了較為深入的研究。郭興文對(duì)覆蓋層地基上的面板堆石壩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。沈婷對(duì)混凝土趾板和基礎(chǔ)的連接方式進(jìn)行了深入研究。徐澤平對(duì)深厚覆蓋層上的面板堆石壩進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究。趙一新、王文嬌對(duì)深厚覆蓋層上的面板堆石壩進(jìn)行了動(dòng)力特性有限元分析。

本文就應(yīng)用更為廣泛的中厚覆蓋層上中低面板堆石壩變形特性進(jìn)行了有限元分析，研究了面板堆石壩竣工期及蓄水期的堆石體及面板的變形特性，為同類工程提供參考。

1 工程概況15

雙溪口水庫(kù)壩址位于余姚市姚江支流大隱溪上，距余姚城區(qū)22km、寧波市區(qū)17km，是以供水、防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等功能的二等綜合水利工程。水庫(kù)集水面積40.01km2，總庫(kù)容3398萬(wàn)m3，水庫(kù)正常蓄水位65.30m（國(guó)家85高程，下同），設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，相應(yīng)洪水位為68.04m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，相應(yīng)洪水位為70.00m。大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程為70.00m，防浪墻頂高程71.20m，最大壩高52.10m，壩頂寬6.9m，長(zhǎng)426.0m，大壩上、下游坡坡比分別為1：1.4、1：1.3，在下游23.0m、39.0m、54.0m高程處，設(shè)置三級(jí)3.0m寬的馬道。壩基覆蓋層主要為砂礫（卵）石層，最大厚度為15.4m。

圖1 二維整體網(wǎng)格

2 二維靜力非線性有限元計(jì)算分析

2.1 二維計(jì)算幾何模型

根據(jù)壩趾區(qū)地質(zhì)條件和壩體分區(qū)特點(diǎn)，除河床砂礫石覆蓋層和岸坡強(qiáng)風(fēng)化基巖參與結(jié)構(gòu)計(jì)算外，地基按剛性考慮。以河床典型剖面（壩0+192.0m）為基準(zhǔn)，采用二維自動(dòng)剖分程序剖分壩體單元。平面有限元計(jì)算壩體單元?jiǎng)澐譃樗倪呅嗡慕Y(jié)點(diǎn)單元和少量過(guò)渡的三角形單元。將壩體斷面剖分單元總數(shù)為472個(gè)，其中面板與墊層間設(shè)置接觸面單元為15個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為507個(gè)，剖分后的計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖1。

2.2 計(jì)算參數(shù)

各主要材料分區(qū)的鄧肯E-B本構(gòu)模型參數(shù)見(jiàn)表1。混凝土面板、趾板及防滲墻采用線彈性模型，混凝土面板、趾板參數(shù)指標(biāo)：密度2.45g/cm3，彈性模量20GPa，泊松比0.167；防滲墻指標(biāo)：密度2.4g/cm3，彈性模量20GPa，泊松比0.167。

表1 筑壩材料E—B模型參數(shù)

3 計(jì)算成果分析

0+192m計(jì)算剖面的竣工期及蓄水期水平位移、垂直位移、大小主應(yīng)力及應(yīng)力水平的等值線圖分別見(jiàn)圖2～6、圖8～12。竣工期及蓄水期位移矢量圖見(jiàn)圖7、圖13。

圖2 竣工期水平位移等值線圖(cm)

圖3 竣工期垂直位移等值線圖(cm)

圖4 竣工期大主應(yīng)力等值線圖(MPa)

圖5 竣工期小主應(yīng)力等值線圖(MPa)

圖6 竣工期應(yīng)力水平等值線圖

圖7 竣工期位移矢量圖

圖8 蓄水期水平位移等值線圖(cm)

圖9 蓄水期垂直位移等值線圖(cm)

圖10 蓄水期大主應(yīng)力等值線圖(MPa)

圖11 蓄水期小主應(yīng)力等值線圖(MPa)

圖12 蓄水期應(yīng)力水平等值線圖

圖13 蓄水期位移矢量

3.1 堆石體變形分析

（1）竣工期

由于施工期自重以及堆石料的泊松效應(yīng)，壩體及覆蓋層的水平位移變化規(guī)律大致以壩體中心為界，下游部分向下游移動(dòng)，上游部分向上游移動(dòng)。向上游移動(dòng)的最大值為6.96cm，位于上游壩坡中下部；向下游移動(dòng)的最大值為7.03cm，位于下游壩坡中下部；壩體最大豎向位移出現(xiàn)在約1/3壩高的主堆石料內(nèi)，其值為35.14cm，約為壩高（不含覆蓋層）的0.78%，由于堆石壩坐落在相對(duì)較軟的覆蓋層上，其沉降中心較一般建于基巖上的壩偏向下部。在自重作用下壩體的變形矢量方向?yàn)橄蛳隆⑾蛲狻?/p>

（2）正常蓄水期

蓄水期壩體受水壓力的推動(dòng)，整體向下游側(cè)移動(dòng)，向下游移動(dòng)的最大位移值為14.44cm，發(fā)生在壩體上游側(cè)面板部位，下游壩坡向下游側(cè)最大變形增加為11.55cm；在水荷載作用下，壩體的豎向位移量值較竣工期略有增加，增加為37.97cm，且沉降中心稍向上游移動(dòng)。在自重及水荷載綜合作用下壩體的變形矢量方向?yàn)橄蛳掠我苿?dòng)。

3.2 堆石體應(yīng)力及應(yīng)力水平分析

（1）竣工期

壩體堆石料內(nèi)大、小主應(yīng)力隨深度的增加而增加，基本接近自重方向。壩體的大主應(yīng)力的最大值為1.08MPa，小主應(yīng)力最大值為0.29MPa，兩者均位于壩體底部中央的覆蓋層內(nèi)。

竣工期壩體的應(yīng)力水平等值線基本平行于壩坡，個(gè)別單元最大應(yīng)力水平為0.6，主要發(fā)生在覆蓋層內(nèi)，不影響壩體的整體穩(wěn)定性。

（2）正常蓄水期

蓄水期壩體面板受水荷載的作用，大、小主應(yīng)力線出現(xiàn)上抬并與面板相交，大主應(yīng)力最大值為1.22MPa，小主應(yīng)力最大值為0.34MPa。

蓄水期，隨著水位的升高，應(yīng)力水平發(fā)生了重分布，應(yīng)力水平最大值0.91，主要發(fā)生在上游覆蓋層內(nèi)，由于該覆蓋層內(nèi)摩擦角相對(duì)較小，該處應(yīng)力水平較高且較為集中。蓄水后防滲墻上游覆蓋層出現(xiàn)高應(yīng)力水平區(qū)，最大值為0.91，該區(qū)類似于主動(dòng)土壓力區(qū)，防滲墻下游應(yīng)力水平亦有提高，由竣工期的0.36增加至0.69，該區(qū)類似于被動(dòng)土壓力區(qū)，由應(yīng)力水平分布圖13可知，雖然蓄水導(dǎo)致兩區(qū)應(yīng)力水平增大，但壩體各區(qū)依然是穩(wěn)定的，未出現(xiàn)應(yīng)力水平接近于1.0的破壞區(qū)域。

3.3 面板變形分析

圖14和圖15分別為竣工期面板沿高程方向撓度和應(yīng)力分布圖；圖16和圖17為滿蓄期面板沿高程方向撓度和應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出：

（1）面板變形分析

竣工期，面板撓度僅由于自重引起，其量值較小，最大撓度僅為0.52cm。最大值出現(xiàn)在面板中上部。正常蓄水期，面板變形分布規(guī)律較好，面板撓度指向壩內(nèi)，面板中下部約1/3壩高部位區(qū)域數(shù)值較大，最大值為17.13cm，出現(xiàn)在高程31.5m附近。

（2）面板應(yīng)力分析

竣工期，面板應(yīng)力主要由自重引起，其順坡向應(yīng)力較小，最大僅為0.03MPa。正常蓄水期，在水壓力作用下，面板絕大部分區(qū)域表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。其中順坡向壓應(yīng)力最大值為6.97MPa。出現(xiàn)在高程31.5m附近。

圖15 竣工期面板順坡向應(yīng)力分布圖

圖14 竣工期面板撓度分布圖

圖16 蓄水期面板撓度分布圖

圖17 蓄水期面板順坡向應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

（1）蓄水期壩體在水壓力作用下整體向下游位移，最大水平位移約為竣工時(shí)的2倍，最大豎向位移相比于竣工時(shí)增加約8%。蓄水時(shí)，在自重及水荷載綜合作用下壩體的變形矢量方向?yàn)橄蛳掠我苿?dòng)。

（2）蓄水期壩體面板受水荷載的作用，大、小主應(yīng)力線出現(xiàn)上抬并與面板相交，和竣工期相比，大、小主應(yīng)力最大值增加幅度分別為13%和17%。隨著水位的升高，應(yīng)力水平發(fā)生了重分布，應(yīng)力水平最大值0.91，未出現(xiàn)應(yīng)力水平接近于1.0的破壞區(qū)域。

（3）竣工期，面板撓度及應(yīng)力僅由于自重引起，其量值較小，蓄水后，面板撓度指向壩內(nèi)，面板表面為壓應(yīng)力，最大撓度及最大應(yīng)力均分布于約1/3壩高部位。

1. 酈能惠,楊澤艷.中國(guó)混凝土面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)步[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(8):1361-1368.

2. 楊澤艷,周建平,蔣國(guó)澄,等.中國(guó)混凝土面板堆石壩的發(fā)展[J].水力發(fā)電,2011,37(2):18-23.

3. 郭興文,王德信,蔡新.覆蓋層地基上混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1998,26(4):54-58.

4. 沈婷,李國(guó)英,李云.覆蓋層上面板堆石壩趾板與基礎(chǔ)連接方式的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(14): 2588-2592.

5. 徐澤平,侯瑜京，梁建輝.深覆蓋層上混凝土面板堆石壩的離心模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(9): 1323-1328.

6. 趙一新.深厚覆蓋層地基高面板堆石壩應(yīng)力變形動(dòng)力有限元分析[D]. 西安:西安理工大學(xué),2009.

7. 王文嬌.深厚覆蓋層地基面板堆石壩的抗震特性研究析[D]. 鄭州:鄭州大學(xué),2013.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.015

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1672-2469（2014）08-0045-05

15基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目 (201201043)。

陳 飄（1975年—），男，高級(jí)工程師。