流變對高心墻堆石壩變形影響的有限元分析

何周

【摘 要】高心墻堆石壩的流變變形不可忽略，采用有限元法分析了流變對大壩變形的影響，結果表明：流變引起的變形增量在填筑與蓄水期為由上下游兩側向心墻方向擠壓，而在運行期則為由心墻向上下游兩側擠壓；與不考慮流變相比，考慮流變變形后蓄水期壩體最大沉降增加約23%，而運行期的流變變形較小，運行10年后壩體最大沉降相對于蓄水期僅增大約1.5%。

【關鍵詞】堆石壩；流變；有限元

0 引言

由于具有良好的基礎適應性、能就地取材和充分利用建筑物開挖料、造價較低及抗震性能好等優點，堆石壩是一種極具競爭力的壩型。實際工程的運行表明：大壩建成后的長期運行過程中堆石體仍有較大的流變變形，可能使防滲結構產生裂縫，危及大壩安全。國內眾多學者對堆石體流變特性、流變模型和流變變形數值模擬開展了研究[1-5]。本文采用有限元數值模擬，對流變對高心墻堆石壩變形的影響進行了研究。

1 流變對高心墻堆石壩變形影響的有限元分析

1.1 流變模型

1.2 結構離散及模擬方法

在進行有限元網格剖分時，實體單元采用8結點六面體等參單元，為適應邊界條件以及壩料分區的變化，部分采用三棱體和四面體作為退化的六面體單元處理，共剖分實體單元9351個，結點9813個。計算時采用逐級加載的方法模擬壩體施工工序，水庫蓄水過程通過水荷載分級施加進行模擬，共分為53級進行模擬。

1.3 有限元計算結果分析

1.3.1 不考慮流變的壩體應力變形性態

正常蓄水位下的壩體最大沉降為153.1cm，位于心墻軸線附近1/2.5壩高處，指向下游的最大變形為33.1cm，指向上游的變形為22.1cm。壩體大、小主應力最大值分別為2.7MPa、1.0MPa，位于下游反濾層底部，由于蓄水后，上游壩殼及心墻上游的主應力尤其是小主應力較之下游下降較為明顯，因而上游壩殼中應力水平較高，但壩體內均未出現拉應力，也沒有塑性破壞區域。

1.3.2 考慮流變的壩體變形性態

壩料流變變形方向為由上下游兩側向心墻方向擠壓，指向下游側的流變變形最大值為9.3cm，指向上游側的流變變形最大值為6.2cm，垂直向流變變形最大值為35.8cm，發生在心墻壩軸線的1304高程。與不考慮流變變形計算結果相比，考慮流變變形后指向下游側的順河向位移有所增大，最大值為36.8cm，指向上游側的順河向位移有所減小，最大值為19.7cm，垂直向沉降增大為188.3cm，發生在心墻壩軸線的1317高程，較之不考慮流變變形的結果偏低。蓄水10年后流變變形的方向表現為由心墻向上下游兩側擠壓，指向上游側的順河向位移增量為4.8cm，指向下游側的順河向位移增量為4.3cm，垂直向位移增量為7.6cm，發生在壩頂。由于大壩填筑周期長，大部分流變變形已在施工期完成，故而在運行期的流變變形較小。由于運行期流變變形方向為由心墻向兩側擠壓，與蓄水期計算結果相比，指向上游側順河向位移有所增大，最大值為20.6cm，指向下游側順河向位移有所減小，最大值為35.8cm。最大沉降值則增大為191.2cm。

2 結論

考慮流變變形后，其引起的變形增量在填筑與蓄水期壩體變形方向為由上下游兩側向心墻方向擠壓，而在運行期則為由心墻向上下游兩側擠壓。考慮流變變形后，蓄水期壩體最大沉降為188.3cm，約為壩高的1%，發生在心墻壩軸線的1317高程，與不考慮流變的結果相比，壩體最大沉降增加約23%，而位置要偏低一些。由于大壩填筑周期長，大部分流變變形已在施工期完成，故而在運行期的流變變形較小，運行10年后壩體最大沉降為191.2cm，相對于蓄水期僅增大約1.5%。

【參考文獻】

[1]李國英，米占寬，傅華，等.混凝土面板堆石壩堆石料流變特性試驗研究[J].巖土力學，2004，25（11）：1712-1716.

[2]程展林，丁紅順.堆石料蠕變特性試驗研究[J].巖土工程學報，2004，26（4）：473-476.

[3]王勇，殷宗澤.一個用于面板壩流變分析的堆石流變模型[J].巖土力學，2000，21（3）：227-230.

[4]周偉，常曉林.基于冪函數流變模型的高混凝土面板壩流變分析[J].水力發電學報，2006，25（1）：15-18.

[5]鄧剛，徐澤平，呂生璽，等.狹窄河谷中的高面板堆石壩長期應力變形計算分析[J].水利學報，2008，39（6）：639-646.

[責任編輯：王偉平]