基于參數反演法面板堆石壩蓄水初期應力應變分析

韓 勇

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

1 工程概況

水布埡面板堆石壩位于湖北省恩施州巴東縣境內的清江中游河段，是清江干流三級開發的龍頭水利工程，具有發電和防洪等綜合效益。水布埡壩址上距恩施市117 km，下距清江第二梯級隔河巖電站92 km。水庫的正常蓄水位高程400 m，大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程409 m，最大壩高233 m，最大壩前作用水頭222 m，其壩高和壩前水頭在國內外同類型的已建和在建大壩中居首位。左岸溢洪道最大下泄流量為18 280 m3/s，相應單寬流量204 m3/(s·m)。右岸引水式地下電站裝機4臺，總裝機容量1 840 MW，年平均發電量39.84×108kW·h。

2 數值計算模型

選取水布埡混凝土面板堆石壩三維數值計算區域包含壩體周圍山體和組成壩體的面板、擠壓邊墻、墊層料、過渡料、主堆石料、次堆石料、下游堆石料，材料分區見圖1。三維網格主要采用八節點六面體等參元，為了適應基巖不規則邊界，局部將六面體單元退化為五面體甚至四面體單元，大壩的三維計算模型有限元網格見圖2和圖3。計算域的底部邊界為固定約束，前后兩側及左右兩側采用法向約束。

圖1 水布埡面板堆石壩壩體材料分區圖

圖2 整體三維計算模型網格圖

圖3 壩體三維計算模型網格圖

3 樣本構造

為了反演壩體在施工期間各堆石體材料的變形參數，本文以壩體施工期的變形實測值為依據，對壩體填筑堆石料(墊層、過渡層、主堆石和次堆石4種填料)的變形參數(K、n、Rf、Kb、m和Kur6個參數)共24個進行反演。由于壩體變形對堆石料(墊層、過渡層、主堆石、次堆石料和下游堆石料5種填料)、擠壓邊墻、趾板和面板的凝聚力c和摩擦角Ф不敏感，因此不參與反演。另外，大壩的變形主要受控于堆石體的變形，因此擠壓邊墻、面板和趾板的彈性模量、面板間接觸水平縫、面板間接觸垂直縫、面板與趾板間周邊縫的各變形和強度參數均不參與反演。鑒于水布埡面板堆石壩堆石體Rf的變化較小，且都在0.8左右變動；同時下游堆石料與主堆石料的參數相同，各堆石體變形參數m的差別很小，因此參與反演的堆石料(墊層、過渡層、主堆石、次堆石料)變形參數為K、n和Kb共12個參數，它們取值范圍分別為K=700～1 300、n=0.2～0.6和Kb=300～900。各堆石料的取值范圍見表1，參與反演各堆石料變形參數取值水平見表2。

表1 參與反演的各堆石料變形參數取值范圍及參數m取值

表2 參與反演的各堆石料變形參數取值水平

4 堆石體變形參數反演結果

1) 數據的預處理：首先將樣本的數據進行標準化為[0.1，0.9]的區間數據，它的標準化算法如下：

2) 最優神經網絡模型的搜索。所用的檢驗誤差函數如下：

式中：fi(X)為樣本i(i=1，…，n)的網絡輸出；ui為樣本i的期望輸出；n為所檢驗樣本的總個數。

通過采用遺傳算法來進行搜索可以得出，當神經網絡結構為12-38-17-3時，經過18 970次學習后，可以得到最佳的預測效果。此時的學習誤差是0.003 244，測試誤差是0.007 2。大壩內布置的各監測點處垂直方向的位移值，可以通過用網絡模型替代位移反分析迭代優化過程中的正向計算來獲得。

3) 借助神經網絡-遺傳優化算法，可以在指定范圍內來進行搜索和計算，從而得出大壩堆石體的最優變形參數。壩體各堆石體變形參數反演結果見表3。

表3 堆石體變形參數反演結果

5 壩體初期蓄水結束時應力應變計算分析

5.1 應力計算分析

1) 堆石體應力。蓄水結束時，壩體的最大應力出現在壩底中部略偏上游。其中，壩體第一主應力最大值約為3.90 MPa(圖4)，第一主應力的大小隨壩體表面距離增大而增大；第三主應力最大值為5.80 MPa(圖5)，第三主應力的大小亦隨壩體表面距離增大而增大。

圖4 壩體第一主應力分布圖(MPa)

圖5 壩體第三主應力分布圖(MPa)

2) 面板應力。蓄水結束時，面板壩軸向壓應力的最大值出現在高程340～400 m的范圍內。面板大部分區域受壓，壓應力范圍為0～0.2 MPa；兩岸壩肩部位受拉，拉應力最大值為1.0 MPa左右，但拉應力范圍很小；在兩岸岸坡變化較大處出現了小范圍的拉應力區，最大值達1.0 MPa。見圖6。

蓄水結束時，面板順坡向應力大部分為壓應力，壓力大小范圍在0～2.1 MPa之間，最大壓應力達2.1 MPa，主要集中在兩岸壩肩且高程為340 m以上的面板上。面板拉應力主要集中在壩基附近的面板處，最大拉應力為1.7 MPa。見圖7。面板壩軸向和順坡向拉應力和壓應力的極值見表4。

圖6 面板壩軸向應力分布圖(MPa)

圖7 面板順河向應力分布圖(MPa)

表4 應力極值 /MPa

5.2 位移計算分析

1) 堆石體變形。蓄水結束時，壩體最大的壩軸向位移為0.50 m，位于壩體頂部且略靠近下游側(圖8)；順河向位移最大值為0.8 m，位于壩體頂部且略靠近下游側(圖9)；壩體沉降位移最大值為2.40 m，位于壩體中上部偏下游的位置(圖10)。蓄水結束時堆石體變形極值見表5。

圖8 壩體壩軸向位移分布圖(mm)

圖9 壩體順河向位移分布圖

圖10 壩體豎向位移分布圖(mm)

表5 位移極值 /mm

2) 面板變形。蓄水結束時，壩體最大的壩軸向位移為100 mm，位于壩體左岸底部且靠近壩底(圖11)；順河向位移最大值為1 900 mm，位于高程340～400 m之間的區域，且靠近左岸(圖12)；面板沉降位移最大值為1 400 mm，位于壩體中下一期面板上(圖13)。竣工時面板變形極值見表6。

圖11 面板壩軸向位移分布圖(mm)

圖12 面板順河向位移分布圖(mm)

圖13 面板豎向位移分布圖(mm)

表6 位移極值 /mm

3) 縫的變形。初期蓄水結束時，河床部位的垂直縫是壓縫，靠近兩岸壩肩的部位是拉縫，最大張拉值達10.3 mm，出現在右岸壩肩處。面板順坡向橫剪變形主要發生在340.0 m高程以下面板之間，量值在0～3.7 mm范圍；面板法向豎剪變形大多數部位接近于零，僅在靠近基巖的面板底部存在部分變形，剪切最大值為31.8 mm，最大沉降值為20.2 mm。初期蓄水結束后，面板垂直縫的拉壓變形具體分布見圖14。.

圖14 面板豎縫張開值分布圖(mm)

初期蓄水結束時，周邊縫的張開位移最大值為10.2 mm，發生在左岸較陡的壩肩位置，其余部位張開位移一般為1～4.0 mm；剪切位移最大值為30.0 mm，發生在右岸一期面板對應的周邊縫位置，其余部位的剪切位移為0～20 mm，最大沉降值為21.2 mm。大壩竣工后面板周邊縫的張開變形、垂直剖面方向的沉陷變形、沿周邊縫切向的剪切錯動變形具體分布見圖15～圖17。

圖15 面板周邊縫張開值分布圖(mm)

圖16 面板周邊縫沉陷值分布圖(mm)

圖17 面板周邊縫剪切值分布圖(mm)

6 結 論

6.1 堆石體應力與變形分析

通過對壩體在初期蓄水結束時應力應變計算結果分析，大壩蓄水結束時壩體的最大應力出現在壩底中部略偏上游。其中，壩體第一主應力最大值約為3.90 MPa，第一主應力值的大小隨壩體表面距離增大而增大；第三主應力最大值為5.80 MPa，第三主應力的大小亦隨壩體表面距離增大而增大。

大壩蓄水結束時，壩體最大的壩軸向位移為0.50 m，位于壩體頂部且略靠近下游側；順河向位移最大值為0.8 m，位于壩體頂部且略靠近下游側；壩體沉降位移最大值為2.40 m，位于壩體中上部偏下游的位置。

6.2 面板應力與變形分析

通過對壩體在初期蓄水結束時應力應變計算結果分析，蓄水結束時面板壩軸向壓應力的最大值出現在高程340～400 m的范圍內，面板大部分區域受壓，壓應力范圍為0～0.2 MPa；兩岸壩肩部位受拉，拉應力最大值為1.0 MPa左右，但拉應力范圍很小；在兩岸岸坡變化較大處出現了小范圍的拉應力區，最大值達1.0 MPa。大壩蓄水結束時，面板順坡向應力大部分為壓應力，壓力大小范圍在0～2.1 MPa之間，最大壓應力達2.1 MPa，主要集中在兩岸壩肩且高程為340 m以上的面板上。面板拉應力主要集中在壩基附近的面板處，最大拉應力為1.7 MPa。

蓄水結束時，壩體最大的壩軸向位移為100 mm，位于壩體左岸底部且靠近壩底；順河向位移最大值為1 900 mm，位于高程340～400 m之間的區域，且靠近左岸；面板沉降位移最大值為1 400 mm，位于壩體中下一期面板上。

6.3 縫的變形分析

通過對壩體在初期蓄水結束時應力應變計算結果分析，初期蓄水結束后河床部位的垂直縫是壓縫，靠近兩岸壩肩的部位是拉縫，最大張拉值達10.8 mm，出現在右岸壩肩處。面板順坡向橫剪變形主要發生在340.0 m高程以下面板之間，量值在0～3.7 mm范圍；面板法向豎剪變形大多數部位接近于零，僅在靠近基巖的面板底部存在部分變形，剪切最大值為25.7 mm，沉降最大值為30.2 mm。

初期蓄水結束時，周邊縫的張開位移最大值為10.2 mm，發生在左岸較陡的壩肩位置，其余部位張開位移一般為1～4.0 mm；剪切位移最大值為30 mm，發生在右岸一期面板對應的周邊縫位置，其余部位的剪切位移為0～20 mm，最大沉降值為21.2 mm。