印度尼西亞Jatigede大壩工程壩體沉降分析

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

1 工程概況

Jatigede大壩工程位于印度尼西亞西爪哇省的Cimanuk河上，距離Cirebon城75km。工程所在地為赤道地區，屬熱帶季風氣候，年平均氣溫26℃，年平均降雨量2880mm。每年分為雨季和旱季，雨季時段為每年11月至次年4月，旱季時段為5月至10月。

Jatigede大壩工程控制流域面積1460km2，水庫總庫容1062.78×106m3。大壩壩型為粘土心墻堆石壩，最大壩高110m。電站裝機容量110MW，多年平均發電量約4.5億kW·h。樞紐主要建筑物包括：大壩、溢洪道、灌溉洞、發電進水口、隧洞、調壓井、壓力管道和廠房等。粘土心墻堆石壩、溢洪道控制段地震設防烈度為Ⅸ度，其它建筑物的地震設防烈度為Ⅷ度。

2 壩體設計

Jatigede水庫大壩壩型為粘土心墻堆石壩。壩頂高程265.00m，最大壩高110m，壩軸線長1668m。上游圍堰與大壩連為一體，為大壩的一部分。圍堰頂部高程204.00m，頂寬12.00m。上游壩坡在204.00m高程以上為1∶2，以下為1∶3。下游壩坡1∶1.9，設三級馬道，馬道寬均為6.0m，頂高程分別為235.00m、205.00m和175.00m。

壩體斷面分為6個區，從中部向上、下側均為(1)粘土防滲墻區、(2A)、(2B)反濾料區、(3A)過渡料區(最大粒徑40cm)、(3B)堆石區(最大粒徑80cm)和(4)干砌石護坡。

3 壩體沉降監測設計

選擇最大壩高剖面Sta1+100作為大壩主要監測斷面，其它次要監測斷面的位置見壩體沉降監測斷面位置表和圖。

3.1 壩體變形監測

主要儀器包括豎直測斜管和電磁沉降儀。壩體的水平位移和垂直位移變形監測由測斜管和電磁沉降儀完成。測斜管能夠測量連續大范圍內的壩體水平位移變形，同時也用作電磁式沉降儀的管路。

3.2 壩體主要沉降監測儀器布置

壩體沉降監測采用“電磁式沉降儀”，共布置了8個監測斷面(VC1-VC10)，位置見表3。主要監測斷面如圖1、圖2所示。

圖1 壩體沉降監測縱斷面位置

圖2 壩體主要沉降監測橫斷面Sta1+100位置

4 壩體沉降監測分析

本工程于2008年開工。大壩于2012年5月開始填筑，2014年8月2日壩體最大斷面填筑至壩頂266.05m高程；2015年8月31日導流洞下閘，水庫開始蓄水；2016年5月31日大壩蓄水至252.50m。最大壩高斷面，壩體填筑時間在2012年5月-2014年8月2日，此期間為壩體填筑期；2014年8月28日以后為運行期。

VC1為最大壩高監測斷面。位置為：Sta1+100，4.5mD/S。該處壩高110m，為壩體沉降監測的典型斷面，VC1監測斷面在壩體不同高程的沉降監測點共19個，從下到上分為M.1-M.19，監測點埋設高程及主要沉降監測數值見表1。

4.1 最大壩高斷面VC1壩體沉降分析

表1 最大壩高斷面(VC1)壩體沉降匯總

填筑期壩體最大沉降量為1599mm(M.10)，壩頂最大沉降量為0mm(M.19)。壩體填筑結束至下閘蓄水前壩體最大沉降增量為241mm(M.14)，壩頂最大沉降量為159mm(M.19)。下閘蓄水后壩頂及壩體最大沉降量為163mm(M.19)。運行期壩體最大沉降增量為368mm(M.14)，壩頂最大沉降增量為322mm(M.19)，見表2。

表2 最大壩高斷面(VC1)壩體沉降表

監測時段內壩體最大沉降量為1834mm(M.10)，詳見圖3和圖4。其中，填筑期沉降增量為1599mm，蓄水前沉降增量為137mm，蓄水后沉降增量為98mm。壩體最大沉降發生在壩體中部。蓄水后期的沉降增量較小，隨時間的增加，壩體的沉降逐漸收斂。壩體沉降主要發生在施工填筑期和蓄水前，運行期沉降量較小，在設計控制范圍內。

大壩蓄水后到監測資料截止時壩體最大沉降增量為163mm，發生在壩頂。蓄水引起的壩體沉降增量較小，無明顯的濕陷沉降變形，因此壩體沉降主要發生在施工填筑期和蓄水前期，蓄水后壩沉降量在控制范圍內。

圖3 最大壩高斷面(VC1)壩體沉降分析

圖4 最大壩高斷面(VC1)填筑/運行期沉降分析

4.2 不同壩高位置壩體沉降分析

表3壩體各監測斷面總沉降匯總(2012年5月-2018年4月9日)

大壩縱剖面不同位置的大壩沉降監測斷面VC1-VC10的數據表明：壩頂部的總沉降量/壩高的最大值為0.34%，遠小于設計的預留值1%。

4.3 壩體沉降分析結論

根據2012年5月-2018年4月9日監測時段內的壩體沉降監測數據，分析整理出壩體VC1典型監測斷面壩體沉降與時間關系曲線，該系列見圖5。VC1斷面不同高程的19個監測點(M.1-M.19)壩體沉降規律基本相同：壩體填筑期，沉降隨填筑高程的增加而增大；壩體填筑至壩頂至蓄水前期，壩體總體沉降量仍逐漸增大，但壩體沉降-時間曲線明顯變緩，即相同觀測時間周期內，壩體的沉降增量明顯減小，說明壩體沉降主要發生在施工填筑期，填筑結束后壩體的沉降逐漸收斂。運行期，壩體總體沉降量仍逐漸增大，但壩體沉降-時間曲線明顯更緩，即相同觀測時間周期內，壩體的沉降增量明顯減小，說明壩體沉降主要發生在施工填筑期和蓄水前期，運行期壩體的沉降逐漸收斂。壩頂沉降隨相應斷面的壩體高度的增加而增大，因此壩頂預留沉降超高采用相應斷面壩高的1%設計是合理的。

圖5 最大壩高斷面(VC1)壩體分層沉降-時間曲線

5 壩體有限元計算分析

5.1 有限元分析簡述

(1)應力應變關系

筑壩料的應力、應變關系采用鄧肯—張雙曲線非線性彈性模型，即其應力應變的相關關系符合雙曲線變化規律。

(2)破壞準則

壩體填筑料的抗剪強度關系如下：

(σ1-σ3)f=2(C·cosφ+σ3·sinφ)/(1-sinφ)

(1)

式中：C——凝聚力；

φ——內摩擦角。

(3)卸荷準則

三軸剪切試驗表明，在卸荷階段，筑壩材料表現為視彈性特性，此時的彈性模量稱為卸荷模量Eμr。

(2)

式中：Kμr——卸荷模量數，一般取Kμr=(1.2～2.0)K。

考慮到堆石料等壩料存在明顯的剪脹特性，故取Kμr=2·K，因為堆石料在保持σ3不變的三軸試驗中如發生剪脹，勢必引起周圍壓力σ3的增大，為保持σ3不變的應力路徑，則只有進一步增加Kμr值。

5.2 計算方法與邊界條件

非線性有限元分析是根據應力應變關系，把它逐段地轉化為一系列的線性問題，用迭代法求解，其求解步驟為：①實際工程結構的離散化；②單元分析；③總體分析。

為了能模擬壩體的逐級填筑過程，即荷載隨時間增長的特性，計算中采用中點增量法來求解非線性方程組，將非線性問題轉化為線性問題來求解。

考慮大壩清除覆蓋層建在基巖上，計算中沒考慮壩基變形，單元剖分采用任意四邊形等參單元，單元劃分中考慮壩體分區，并在易發生應力集中的部位，加密單元網格，計算過程采用逐級加荷模擬施工過程。計算壩體填筑分18級，加荷第16級到第18級為蓄水荷載，共計劃分506個單元和545個節點。壩體設計剖面圖和單元剖分圖見圖6、圖7。

圖6 壩體設計剖面

圖7 壩體單元剖分

5.3 材料參數選取

根據壩料試驗成果，用于有限元分析的各種壩體填筑料參數見表4、表5、表6。

表4 設計參數和填筑標準建議值

表5 抗剪強度參數建議值

表6 應力應變E-μ和E-B模型參數建議值

5.4 壩體有限元計算成果分析

5.4.1 壩體有限元計算成果

(1)竣工期

竣工期最大垂直沉降為118.17cm，發生于2/3壩高的壩軸線附近，壩頂下沉量為13.70cm，如圖8所示。這里竣工期對應下閘蓄水前。

圖8 填筑期沉降等值線(單位：cm)

(2)正常蓄水位

在沒考慮心墻濕陷變形的條件下，正常蓄水位時最大垂直沉降為119.03cm，說明蓄水引起的壩體附加垂直沉降值不大，對壩體的沉降等值線分布影響不大，最大垂直沉降仍然發生在2/3壩高的壩軸線附近，如圖9所示。圖10為不同高程心墻軸線的沉降。

圖9 正常水位沉降等值線(單位：cm)

圖10 不同高程心墻軸線沉降

(3)正常蓄水位遇9度地震

采用擬靜力法進行計算，當遇9度地震時取相應的地震加速度為0.4g。

最大沉降發生在壩體頂部，最大值為159.79cm(包含正常水位壩頂沉降)，沉降等值線說明地震引起的沉降隨壩體高程的增高而增大，如圖11所示。

圖11 正常水位遇9度地震沉降等值線(單位：cm)

5.4.2 壩體有限元計算與監測成果對比

壩體有限元計算結果表明：在沒考慮心墻濕陷變形的條件下，正常蓄水位時最大垂直沉降為1190mm；現監測值為368mm，小于設計值。運行期壩頂最大沉降為322mm，小于壩頂設計預沉降超高1100mm。

正常蓄水位遇9度地震，采用擬靜力法進行計算，結果表明：最大沉降發生在壩體頂部，最大值為1598mm(包含正常水位壩頂沉降)；壩頂高程計算時：地震附加沉陷1.0m，地震壅浪高度1.1m。壩頂高程計算時采用的地震附加沉陷為1.0m，大于有限元計算值1598-1190=408mm，表明壩頂高程設計是安全的。

表7 最大壩高斷面壩體沉降有限元計算與監測成果對比

6 結論

(1)最大壩高斷面(VC1)壩體最大沉降量為1834mm(2012年5月-2018年4月9日)，發生在壩體中部。壩體填筑結束至今，壩體最大沉降增量為368mm(M.14)(約在壩高1/3處)，壩頂最大沉降增量為322mm(M.19)；壩頂最大沉降增量比設計預留沉降超高1100mm小很多；蓄水至今引起的壩體沉降增量僅163mm，無明顯的濕陷沉降變形；

(2)壩頂沉降隨相應斷面的壩體高度增加而增大，因此，壩頂預留沉降超高采用相應斷面壩高的1%設計是合理的；

(3)與印度尼西亞國內同規模、同類型的土石壩相比，Jatigede大壩工程的壩體沉降量小、沉降增量收斂速度明顯較快。壩體沉降監測及滲流等數據表明：壩體設計是安全、合理的，且壩體填筑質量好。