基于擠壓式邊墻的面板堆石壩靜力計算分析研究

孫文博

(黑龍江省黑河市水務局，黑龍江 黑河 164300)

1 擠壓式邊墻技術

擠壓式邊墻是對面板堆石壩的墊層和過渡層施工的技術創新，目的是為增強壩體上游坡面的穩定性。施工工藝是在壩體料填筑前，先對擠壓邊墻進行邊坡處理，通過擠壓機成型混凝土邊墻結構，邊墻結構和壩體高度同步上升，保證回填土、墊層料和過渡料的正常施工。當擠壓墻結構達到一定強度，再開始進行回填土的碾壓密實。因其施工速度快，工藝簡單，造價可控，現已被大量使用在大壩工程中。

2 堆石體本構模型

堆石壩土石材料的本構關系及本構模型采用非線性E-B模型[1]，假定土石料抗剪強度符合Moher-Coulomb破壞準則，切線模量推導步驟如下：

2.1 切線彈性模量

Et=K(1-RfS)2Pa(σ3/Pa)n

(1)

其中

S=(σ1-σ3)(1-Sinφ)/(2Ccosφ+2σ3Sinφ)

(2)

φ=φ0-△φLog(σ3/Pa)

(3)

當(σ1-σ3)<0.95(σ1-σ3)i-1且Si<0.95Si-1時土體無荷載，此時卸變形模量表達為：

Eur=KurPa(σ3/Pa)d

(4)

2.2 切線體積模量

土體中泊松比μ反映體積變化，稱為E-μ模型，切線體積模量由下式計算：

Bt=KbPa(σ3/Pa)m

(5)

計算時定義Bt在Et/3至17Et之間。

3 工程實例

3.1 工程概況

某混凝土面板堆石壩位于我國湖北省境內，樞紐主要工程效益為發電，兼具防洪灌溉功能[2]，水庫正常蓄水位647.5m，壩頂高程651.0m，最大壩高115.3m，壩頂長291.4m，總庫容0.99億m3，壩料分區為壩前鋪蓋、面板、墊層區、過渡區和上、下游堆石區。混凝土面板及分縫圖見1。

圖1 混凝土面板及分縫圖

3.2 有限元模型

壩體有限元網格剖分[3]采用solid65八節點六面體等參單元，擠壓式邊墻采用shell181單元，邊墻共劃分單元105個，節點113個。大壩共劃分三維空間單元1162個，結點5631個。壩體有限元網格劃分見圖2。

圖2 壩體有限元網格剖分圖

3.3 計算參數

壩體堆石料采用鄧肯E-B模型，各材料物理參數根據類似工程和專家經驗確定[4]，計算參數統計見表1。

計算時將面板和擠壓邊墻定義為線彈性材料，面板物理參數為E=20GPa，μ=0.167，d=2.45g/cm3；邊墻物理參數為：E=9GPa，μ=0.3，d=2.25g/cm3。

3.4 計算結果

3.4.1 施工期

施工期無水壓力，面板受力為自重，圖3至圖6為有邊墻的施工期面板應力應變等值線圖，僅對擠壓式邊墻法的壩體施工期應力結果進行展示。

表1 堆石體材料參數表

圖3 壩體面板軸向位移變化圖

圖4 壩體面板法向位移變化圖

圖5 壩體面板軸向應力變化圖

圖6 壩體面板順坡向應力變化圖

由圖可得，施工期的壩體面板軸向位移變化指向河槽中央，右岸最大變形量為0.86cm，出現在壩體中部。左岸最大位移為0.72cm，出現在壩體頂端附近。因受大壩重力荷載，法向位移均垂直坡面，最大值1.83cm，出現在右岸壩體中部。面板撓度最大值為1.36cm，位于壩體面板轉折處，分析因受河谷“S”形所致，面板變形位置均偏左岸。施工期的面板順坡向應力均為壓應力，無拉應力發生，最大值為5.8MPa，出現在面板中下部；軸線應力變化基本為壓應力，最大值0.62MPa。在大壩岸坡位置產生較小拉應力，最大值為0.23 MPa。

3.4.2 蓄水期

蓄水期面板因內外水壓力作用，軸線位移較竣工期變化顯著，位移變化方向同施工期，右岸最大位移1.94cm，在壩體上部位置，左岸最大位移2.42cm，在壩體頂端中部附近。法向位移最大變化值34.5cm，面板撓度最大值27.6cm。蓄水期面板順坡向應力基本為壓應力，最大值7.1MPa，大壩底部出現較小范圍的拉應力，最大1.9MPa。

3.4.3 對比分析

對比分析結果見表2。

表2 面板應力應變結果對比表

由表2可見，擠壓邊墻對壩體受力具有一定的減荷作用，綜合認為壩體穩定受邊墻的影響不大。若僅對大壩進行靜力計算分析，可不計邊墻受力影響，但作為混凝土面板和堆石料間的薄層結構，結構特點和施工技術優勢突出，在混凝土面板堆石壩設計施工時應予以考慮。

4 結 論

基于有限元模型建立原理和擠壓式邊墻的施工技術，對有無擠壓式邊墻的面板堆石壩進行有限元計算分析，通過施工期和蓄水期不同工況下的應用，對比不同方案下的應變結果，表明有邊墻時對壩體應力應變擾動小，尤其在上游壩體的應力狀況得到改善。綜合認為擠壓式邊墻的應用對面板的應力和變形狀況是有利的。