壩料孔隙率對面板堆石壩應力變形的影響分析

楊英（喀什地區水利水電勘測設計院新疆喀什844000）

壩料孔隙率對面板堆石壩應力變形的影響分析

楊英
（喀什地區水利水電勘測設計院新疆喀什844000）

本文以黃河公伯峽水電站面板堆石壩為計算模型，根據不同干密度的材料試驗得到的參數，對堆石區不同干密度工況進行了計算，分析了壩料干密度對大壩應力變形的影響規律，可以為進一步的大壩變形反演分析和應力變形預測提供依據。

面板堆石壩；孔隙率；應力變形；影響

堆石料的干密度作為面板堆石壩施工的重要參數之一，對壩體的變形有較大影響［1-3］。而在實際的填筑過程中干密度往往在一定的范圍內波動。面板堆石壩施工中采用不同干密度直接影響大壩施工期和運行期的應力變形特性，因此實際大壩施工控制干密度的選取至關重要，特別是干密度對于特高壩的影響更加突出和明顯［4，5］。分析壩料孔隙率（干密度）大壩應力變形特性的影響，有助于指導實際施工中材料參數的選取，同時也可以為后期大壩應力變形的預測提供依據。本文基于公伯峽面板堆石壩，分析壩料孔隙率對面板堆石壩應力變形特性的影響，為大壩安全性提供依據。

1　工程概況

黃河公伯峽水電站是黃河上游龍羊峽至青銅峽河段中的第四個大型梯級電站，它位于青海省循化撒拉族自治縣和化隆回族自治縣交界處，該水電站是一個以發電為主、兼顧灌溉及供水的一等大（I）型水電樞紐工程。水電站總庫容達6.2億m3，總裝機容量1500MW。水庫采用混凝土面板堆石壩進行擋水，大壩最大壩高為132.2m已于2005年竣工。大壩布置在主河床，壩頂高程為2010m，壩頂長度429m，壩頂寬10m。大壩上游壩坡為1: 1.4，下游壩坡為1:1.5～1:1.3，綜合坡比為1: 1.79。大壩填筑總量達439萬m3，由開挖料作為壩體填筑的主要料場。

2　不同孔隙率壩料力學特性試驗

壩體實際的填筑過程中干密度在一定的范圍內波動是在所難免的，為了研究干密度波動的影響，本節分別針對開挖料主堆石和次堆石進行力學特性試驗，主要包括不同干密度試樣的大型三軸試驗。研究孔隙率對壩料變形特性的影響，從而初步推斷減小孔隙率對于減小壩料變形的影響規律。探討施工參數對壩體變形的影響規律，為設計和施工提供依據。設計干密度在常規干密度（2.08g/cm3）的基礎上增大2%和減小2%，本文分別稱其為較高干密度、常規干密度和較低干密度的試樣。

從大型三軸試驗結果可以看出：同樣的試驗條件下，試樣的峰值偏差應力隨著干密度提高而增高；試樣的剪脹性也隨著干密度的提高而略有提高。根據試驗結果求得清華混合料模型的參數，干密度的變化主要影響強度參數、模量參數和體變參數。在面板堆石壩施工過程中干密度可能變化的范圍內，試樣的力學特性變化并不太大，如本項目試驗采用的干密度增加或減小2%的范圍內，其強度參數變化不超過3%，模量參數變化不超過1%，體變參數變化也不太大。過渡料和排水料的反濾試驗表明其具有較好的滲透穩定性。

3　計算模型

3.1計算條件和三維網格

三維有限元分析設計剖面圖進行。該設計方案考慮到開挖料的滲透性較弱，在過渡料下面設計了強排水體。根據該設計方案以及積石峽面板堆石壩的地形，進行三維網格剖分，其網格圖如圖1所示。其中網格結點數10943，單元數8933。在計算中模擬了壩體分層均勻上升的填筑過程，壩體施工結束后再進行面板施工。壩體竣工以后蓄水至設計水位。本次計算考慮了壩體與基巖的接觸面、采用了試驗結果確定了擠壓墻以及其與面板接觸面的相關參數，并且對面板豎縫進行了模擬。其中剖分網格還考慮了覆蓋層不挖的情況。

圖1　大壩三維有限元網格

3.2本構模型和參數

本文采用清華混合料加載本構模型，本模型采用如下沈珠江建議的雙屈服面判斷是否產生塑性應變。該模型共8個參數：c'，φ'，K，n，Rf和G、F、D，均可根據一組不同圍壓的三軸壓縮試驗結果確定。其中前五個參數與沈珠江雙屈服面模型相同，可采用與之相同的方法加以確定。其它模型參數通過將三種單一成分料的模型參數根據所占比例直接進行平均得到。根據試驗得到的應力應變曲線和體變曲線，可以得到沈珠江模型和清華開挖料加載模型參數如表1所示。

表1　主堆石材料參數

表2　應力變形計算最大值

4　壩料孔隙率對大壩應力變形的影響分析

根據試驗結果確定的三種不同干密度的材料參數，進行了大壩的應力變形分析。表2匯總出了大壩應力變形的最值。由計算結果可以看出，干密度對壩體的應力變形有一定影響。在竣工期，壩體密度越大，壩體沉降越小，壩體沉降隨著密度的增加逐漸減小。同時壩體中密和低密工況下壩體變形相對較為接近，而壩體高密工況下，變形量相對較小。兩種計算模型下，壩體順河向位移和軸向位移隨著壩體密度的變化規律基本相似，只是順河向位移和軸向位移顯然小于壩體沉降。總體而言在施工過程中干密度可能變化范圍內，其影響有限，從應力和變形的角度大壩安全性是滿足的。

蓄水完成階段，兩種計算模型下，壩體的沉降均隨壩體密度的增加而變小。壩體材料高密工況下，壩體的沉降顯然小于壩體中密和低密度的工況。此外蓄水完成階段壩體順河向位移和軸向位移隨壩體密度的變化規律與施工期的結果基本一致。在數值上竣工期高密度壩體工況相對于低密度壩體工況壩體沉降減小5.7cm，相對值為12.6%，而蓄水完成階段上述相應壩體沉降減小量為5.5cm，相對值為11.3%。上述結果說明，壩體竣工期沉降隨壩體密度的變化，相對蓄水完成階段相對還較大。相似地，竣工期順河向位移和軸向位移高壩體密度相對于低壩體密度的相對減小量分別為13.0%和9.7%。而蓄水期上述相應減小量分別為18.3%和11.8%。總體而言，上述分析表明施工期壩體沉降對于壩體的密度較為敏感，而蓄水期順河向位移和軸向位移對于壩體的密度較為敏感。

由面板應力變形隨壩體密度變化分析表明，對于兩種數值本構模型，在不同壩體密度下，面板順坡向應力和水平向應力基本保持不變，壩體高密度相對于低密度最大順坡向應力和水平向應力的的變化量分別只有0.2MPa和0.3MPa。上述結果表明，壩體密度都面板的應力分布和值的影響并不明顯，甚至可以忽略。但是壩體密度對面板撓度的影響相對較大，高壩體密度相對于低壩體密度的最大面板撓度該變量達1.4cm，相對量為9.5%。面板撓度對壩體的不同密度相對較為敏感，考慮到前述壩體變形所受壩體密度的影響情況，可以看出，不同壩體密度情況下，面板的安全性是可以保證的。

5　結語

由計算結果分析得出：干密度對壩體的應力變形有一定影響，壩體變形隨著干密度的增高而減小，面板撓度也有一定程度的減小，不同干密度計算得到的壩體變形和面板撓度的分布形勢基本是一致的；在施工過程中干密度可能變化的范圍內，壩料干密度對其應力變形的影響不大，從應力和變形的角度看，大壩的安全性是滿足的。陜西水利

（責任編輯：暢妮）

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