分期施工對面板堆石壩沉降變形的影響

王建柱 劉雪俠

（1.扶風縣水利電力工作隊 陜西 扶風 722000；2.扶風縣防汛抗旱指揮部辦公室 陜西 扶風 722000）

在高面板堆石壩的施工中，越來越多的壩體采用分期施工的方式將壩體的填筑分成不同的施工階段，這種施工方式既可以縮短工期也可以提高壩體填筑施工的經濟性[1,2]。但是，從面板堆石壩的應力變形分析角度分析,不同的壩體填筑施工分期，對于壩體的應力變形特性必然會產生一定的影響。如何合理地設計調配壩體填筑施工順序，改善面板壩的整體應力變形狀態，這也是面板堆石壩施工設計中需要解決的重要問題之一[3,4]。對于壩高較低的面板堆石壩，因為其填筑方量相對較小，壩體一般可以采用全斷面填筑上升,上下游同時壓實的方式進行施工[5,6]，即使是需要采用臨時斷面擋水度汛，其臨時斷面頂部與底部的高差也不會太大。近些年來，隨著面板堆石壩筑壩技術的發展，新建的面板堆石壩壩高逐漸攀升。隨著壩高的增加，壩體的填筑方量將隨之增大，施工工期也將延長，由此帶來的施工分期和擋水度汛的問題使得高面板堆石壩的受力狀態更趨復雜。基于上述問題，本文采用有限元數值方法模擬面板堆石壩的筑壩蓄水過程，分析壩體的沉降變形狀態，探討壩體分期施工對面板堆石壩沉降變形的影響。

1 工程實例

某面板堆石壩最大壩高110m，壩頂寬10m，長345m，建在覆蓋層地基之上。覆蓋層厚度達到40m～50m。為了實現盡早發電的目標，經過研究，大壩建議采取壩體分期施工的方案。大壩詳細的建設規劃如圖1所示。壩基防滲墻在2009年10月30號前施工完成，然后大壩先全斷面填筑至740m高程。2010年7月中旬壩體前小斷面填筑至780m高程，接著緊跟剩余壩體填筑，下游斷面填筑到相同的高程。最后壩體從780m高程全斷面填筑至壩頂高程。2010年9月1日開始一期面板澆筑，10月中旬澆筑至770m高程，2010年11月中旬大壩具備初期蓄水條件，同年12月底具備發電條件。二期面板降低水位施工。右岸排沙洞和引水發電系統在2010年11月底具備過流條件。本工程施工規劃為分期施工全斷面施工，借此工程分析分期施工對面板堆石壩應力變形的影響。

2 數值模型和計算參數

ADINA程序用于模擬面板堆石壩的沉降變形。對于堆石料，非線性彈塑性鄧肯-張E-B模型由于其參數簡單及具有相對明確的物理意義，廣泛應用于面板堆石壩筑壩的模擬。壩體堆石料、墊層、過渡層以及壩基覆蓋層的應力應變關系采用鄧肯張E-B模型進行模擬，相應的材料計算參數如表1所示。混凝土面板、趾板、防滲墻應力應變關系采用線彈性模型模擬。混凝土密度取為2450kg/m3，彈性模量取為28GPa，泊松比取為0.167。在混凝土結構物與壩料及覆蓋層之間設置接觸摩擦單元以模擬兩者之間的相互作用。把壩體上下游表面及覆蓋層上下游側表面設置為固結排水表面。總共剖分單元14850個，節點17376個。所有部位使用空間8節點等參單元進行模擬。數值計算真實模擬大壩施工過程，每層厚度小于5m。地基的底部邊界是固定的，大壩和地基的側面邊界施加相應的法相約束。水壓力取正常蓄水位按面力施加在面板和地基表面上。

3 結果分析

大壩740m高程以下全段面施工，740n～780m高程先前小斷面施工緊接著下游小斷面施工，最后再全斷面施工完成。根據大壩的施工特點，大壩施工期的沉降變形問題顯而易見。包括小斷面沉降完預留沉降時間的安排，大壩填筑完后變形安全及沉降時間等問題都值得研究。本文運用上述計算模型詳細分析了該工程分期施工下面板堆石壩的應力變形特性。

圖1 壩體分期填筑規劃

圖2 大壩典型剖面的沉降變形（單位：m）

圖3 大壩變形隨時間變化曲線

表1 鄧肯張模型參數

根據大壩的施工特點，大壩施工過程中典型剖面處沉降變形如圖2所示。大壩沉降量隨時間變化曲線如圖3所示。

如圖2為大壩典型斷面的沉降分布規律，由于覆蓋層的存在，大壩的最大沉降明顯偏向壩體底部，相對于建于基巖上的面板堆石壩最大沉降位置向下偏移。隨著筑壩的加高，大壩沉降越來越大。大壩全斷面施工至740m高程時，壩體最大沉降為0.45m，此時沉降相對較小，與全斷面填筑情況下呈現出相同的沉降規律。大壩上游斷面填筑至780m時，大壩的最大沉降量為0.58m，相對于壩體施工到740m時，壩體最大沉降增加0.13m，發生在大壩上游側，上游小斷面的填筑引起一定的沉降，但數值并不大。大壩壩后小段面填筑至780m高程時，大壩最大沉降為0.61m，相對于上游小斷面施工完成，此時沉降量增加量較小，但最大沉降部位向下游移動。此時如果大壩按全斷面施工至相同高程，壩體將產生更大的沉降值，小斷面填筑一定程度上可以減小壩體的沉降。由于前后斷面施工順序不同，上下游斷面的接觸部位沉降有一定突變。大壩全斷面填筑完情況下，大壩的竣工期最大沉降值為0.65m，相對于下游小斷面填筑至780m工程時，最大沉降增加0.04m，增加量較小，說明面板堆石壩的沉降主要發生在壩體施工的初期。大壩整體按全斷面填筑完成時最大沉降達0.73m，說明分期填筑一定程度上可以減小竣工期壩體的最大沉降量，但是壩體竣工期上下游小斷面接觸部位沉降值仍然還有一定的突變。

圖3所示為壩體填筑到一定階段后，如果不繼續施工，壩體變形隨時間的關系曲線。由圖可知，大壩的沉降和水平變形均隨壩體的繼續填筑而增大，水庫的蓄水也會引起壩體變形的增加。大壩下游面填筑到780m高程之后，沉降一個月后至0.82m，然后沉降基本趨于穩定，同樣水平方向的位移也是一個月后趨于穩定。如果此時對一期面板進行施工，至少預留一個月的沉降期較為合適。大壩竣工期，壩體基本要到兩個月后才基本趨于穩定，竣工期壩體沉降的穩定值基本趨于1m，水平位移趨于0.4m。這種情況下如果要澆筑二期面板，一般建議大壩施工完后預留2個月沉降期。當大壩施工完就開始蓄水時，壩體蓄水后的沉降量為0.82m，2個月后基本趨于1.2m而趨于平穩，水平位移三個月后也基本趨于平穩，最大水平位移達0.6m左右，如果大壩要降低水位進行二期面板施工，一般建議預留3個月的沉降時間較為合適。

4 結論

本文采用數值方法模擬面板堆石壩的施工蓄水過程，獲得壩體變形特點，在此基礎上分析分期施工對面板堆石壩沉降變形的影響。大壩采用小斷面分期筑壩，可以縮短工期，使工程盡早投入發電。分期施工對大壩沉降變形的分布有一定影響，分期施工可以在一定程度上減小壩體的最大沉降和變形，有利于壩體的穩定。但是分期施工在上下游斷面接觸部位可能會有一些沉降突變，隨著大壩的逐步沉降，突變逐步消失，最終與全斷面的沉降結果差距不大。采用分期施工時，應注意各時期大壩的預留沉降時間，預留足夠的沉降時間，以進行下一步施工，保證安全穩定。陜西水利

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