混凝土面板壩竣工期壩體變形分析

陳彪

摘 要：混凝土面板堆石壩是當代壩工建設的主流壩型，因其具備高效抗震性、高速施工性、經濟實用性、結構穩定可靠性等不可比擬的優勢，現已成為我國非常有發展力的壩型并得到推廣，隨之而來的壩體變形及面板受力不均引起開裂等問題也出現，本文以某實際面板壩為工程背景，建立二維數值模型分析其標準斷面在竣工期間的應力位移分布規律，對未來面板壩的建設提供有益理論。

關鍵詞：混凝土面板堆石壩;結構穩定;受力不均;應力位移

Abstract：The concrete faced rockfill dam is the mainstream dam type for contemporary dam construction.Because of its incomparable advantages such as high-efficiency seismic resistance，high-speed construction，economic practicality，structural stability and reliability，it has become a very powerful dam in China.The model was popularized，and the problems such as dam deformation and cracks caused by uneven panel stresses also appeared.This paper uses a practical panel dam as the engineering background and establishes a two-dimensional numerical model to analyze the stress of the standard section during the completion period.The law of displacement distribution provides a useful theory for the future construction of faced dams.

Key words：concrete faced rockfill dam;structural stability;uneven force;stress displacement

1 竣工期面板壩應力變形特性[3]

混凝土面板堆石壩竣工期間由于其自身重量較大，面板壩受其重力作用在垂直和水平方向都會出現位移。大壩在垂直方向位移分布有一定規律最大值出現在大壩1/2絕對高度位置。對于堆石壩內部各分區的材料變形能力大概相同的情況，大壩在垂直方向的位移等值線基本呈對稱分布。反之，對于壩體內部各區材料如果性能相差太大，在不同材料的分區界限處位移等值線出現斷裂不連續分布。一般情況下，壩體上游壩坡部分的底層會向外凸起一定的位移，面板壩坡面在垂直方向位移總是呈現出大于水平方向位移規律。大壩在壩軸方向由于受到岸坡水平土壓力的影響，大壩在壩軸方向也會出現一定位移。壩體沿軸線的位移與大壩岸坡的破角成正相關，岸坡坡角增大，這種位移情況愈明顯反之則位移減小。由力學分析可得垂直方向上壩體的主要應力值基本等同于堆石體自重產生應力值，隨著現在工程需要標準的提高，高面板壩的絕對高度有所增加，壩體自身所受主應力水平也在加大，但是大主應力和小主應力的比值視作常量基本不變。

2 面板壩堆石體力學特性

就堆石壩料而論，目前常見的幾種巖石如巖漿，火成，沉積，變質巖等巖石類型都在工程中有所使用。其中沉積巖類型中的灰巖和石巖以及火成巖類型中的花崗，安山，凝灰巖等作為填料面板壩工程應用最多。隨著當代面板壩功能需求的多元化以及施工技術的不斷進步，使用砂礫巖和軟巖作為填料在壩工建設領域得到廣泛推廣如黑泉和公伯峽等。堆石壩料選定巖石類型依據的指標主要有密度，容重，抗壓的強度指標以及軟化性的系數和抗拉的強度性指標，孔隙率一定程度上也要考慮[4]。

面板堆石壩在受力情況下壩體會產生變形，變形的形態由三個階段構成。堆石壩的填筑期發生第一階段的變形，堆石壩壩體結構的大部分變形都發生在填筑期;第二階段的變形出現在面板壩的正常運轉階段，由于面板壩會存在水流滲入的情況導致壩體內部堆石料的剛性減小進而出現壩體下沉的現象，堆石料巖石的類型決定了堆石的下沉濕陷變形程度，軟巖作為堆石壩料其產生的濕陷變形程度最大。壩體最后階段的變形發生是壩體運轉后產生的壩料流變。壩料流變產生的瞬時變形程度在三個階段中最小，但由于流變發生在壩體進入運轉后的整個運轉周期持續時間比較長，故堆石壩料整個壩體運轉期產生流變的變形增量也很大。堆石壩料在大壩建成后需要經過機械碾壓，碾壓后的堆石料具備密度較大和孔隙比較小的特點且再被壓縮的可能性基本沒有。高面板壩由于自重較大導致內部堆石料應力水平較大，故后期壩體內部堆石料顆粒出現破碎和顆粒再分配調整會導致壩體出現蠕變的情形。

3 面板壩本構模型選取

在面板壩應力變形全面研究中，面板和堆石體的力學變形規律為其探究的關鍵，確定合適本構模型是數值計算準確的前提。堆石料由于力學性能復雜，主要表現有壓縮、非線、自身剪縮及各向異等性能。目前沒有一種完美的本構模型可以表現堆石料的復雜特性，國內外研究得出堆石體價值本構理論分兩類：彈塑性及非線性。

3.1 堆石體非線性本構模型Duncan-E-B

在面板堆石壩料的應力應變關系中，由于其呈現出絕對的非線性特征故本構模型的選取要在此基礎之上。另外，面板所受應力與堆石壩料自身剪縮效應絕對相關。所以從堆石壩料剪縮性質的綜合考慮角度分析，堆石壩料本構模型的選取以彈塑性模型為宜。目前，工程上普遍使用1970年鄧肯E-B[1]雙曲線模型并稍作必要修正進行數值分析計算，這種情況下計算的結果合理基本符合面板堆石壩真實變形情況。剪切彈模Eτ表達式如下：

3.2 面板材料本構模型

面板的主要材料是混凝土，混凝土的應力應變關系滿足線彈性規律[2]。故選取線彈性模型作為面板、趾板、基巖的本構形式，用胡克定律的形式表示如下：

4 數值模型計算

某面板壩位于西北某地，該水電站具備調水、發電、防洪三大主要功能，遠期來看水電站的副功能還可以應用到養殖業和旅游業。利用Adina建立二維模型，分析標準斷面，0+374.43斷面，0+105.01斷面在竣工期間應力位移規律。

4.1 壩體各分區堆石體的鄧肯-張模型參數

壩體從上游到下游材料的次序分別是壩體的混凝土面板，壩體墊層，壩體材料過渡區，壩體的主要堆石區域，砂礫石的主堆區域以及下游的堆石區域。依據某面板堆石壩混凝土材料參數的相關實驗報告，壩體內部相關材料參數可以得到如表1：

4.2 面板的二維模型

4.3 計算分析結果

5 結論

壩體竣工期間由于自重作用比較顯著，導致其在垂直方向會發生沉降，由分析可知其在垂直方向上最大沉降的數值為64.97cm，其最大沉降比值為0.57%。計算得出最大沉降量出現在標準斷面約1/2壩體高度位置，如圖3所示。壩體內部堆石在垂直方向由于沉降荷載作用較大，使壩體上下游兩側在水平方向上受到擠壓作用力出現位移。分析可得壩體順河向位移在向上游的極值為16.84cm，該最大值發生在標準斷面約1/4壩體高度位置。標準斷面由于其截面的面積較其他的斷面大，堆石體在這個截面上較其他截面上的面積大的多且為最大的堆石截面。堆石體在垂直方向發生沉降時，其在順河向的沿線方向在上下游都會產生塌落而出現明顯的順河向位移情況，因此最大順河向位移數值出現在該位置。同理，由表2可知，該大壩的順河向位移在向下游的極值為14.49cm，該最大值同樣發生在標準斷面約1/4壩體高度位置。原因也是由于堆石體在標準斷面上較其他截面上的面積大的多為最大的堆石截面，因此出現明顯的水平方向位移。沿壩軸向左右兩岸壩體分別向河床中部產生位移，受河谷形狀影響，靠近兩岸逐漸減小，最大值均出現在壩體中部兩側約1/2壩高處，較對稱。

參考文獻：

[1]Duncan J，M.，Chang，C.y..Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils，ASCE，SMFDM，1970，vol.96，No.SM5.

[2]朱晟，魏匡民，林道通.筑壩土石料的統一廣義塑性模型[J].巖土工程學報，2014，36（8）：1394-1399.

[3]孔憲京，張宇，鄒德高.高面板堆石壩面板應力分布特性及其規律[J].水利學報，2013，44（6）：631-639.

[4]楊杰，李國英，沈婷.復雜地形條件下高面板堆石壩應力變形特性研究[J].巖土工程學報，2014，36（4）.