深厚覆蓋層面板堆石壩施工期應力變形分析

肖雨蓮 唐德勝 關富僳 涂思豪 李洪濤

摘?要：新疆阿爾塔什水利樞紐工程面板堆石壩壩高164.8 m，地基覆蓋層最大厚度94 m，壩體和面板協調變形問題對大壩安全有重要影響。采用三維有限差分軟件FLAC3D，對阿爾塔什水利樞紐工程深厚覆蓋層面板堆石壩在施工期的應力變形進行了分析，結果表明：壩體最大沉降變形發生在1/3壩高位置;壩0+475剖面最大沉降量為0.55 m，覆蓋層的變形量為0.32 m，覆蓋層變形占壩體最大沉降變形的58%，河床深厚覆蓋層產生的壓縮變形對壩體的沉降變形影響較大;靠近壩軸線壩體沉降變形隨填筑過程發展較快，高程1 680.0～1 736.0 m和高程1 736.0～1 752.0 m壩體填筑過程中沉降速度分別為2～3 cm/8 m和5～6 cm/8 m;數值計算結果與施工期實測沉降變形和變形特征較為吻合。后期施工和大壩運行過程中應對深厚覆蓋層的變形加以關注，適當放慢施工進度，對于分期面板澆筑應適當預留一定沉降期。

關鍵詞：面板堆石壩;有限差分法;應力;變形;覆蓋層;阿爾塔什水利樞紐

中圖分類號：TV314;TV641.4+3?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.025

Abstract： The dam height of the Altash face rockfill dam in Xinjiang is 164.8 m， and the maximum thickness of the overburden foundation is 94 m. The coordinated deformation of the dam body and the panel has an important impact on the dam safety. The three-dimensional finite difference calculation program FLAC3D was used to analyze the stress and deformation of the Altash deep overburden face rockfill dam during construction. The results show that the maximum settlement deformation of the dam occurs at 1/3 dam height. The maximum settlement of the dam 0+475 section is 0.55 m， and the deformation of the cover layer is 0.32 m， and the deformation of the cover layer accounts for 58% of the maximum settlement deformation of the dam. The compression deformation caused by the deep cover of the river bed has a great influence on the settlement deformation of the dam body. The settlement deformation of the dam near the dam axis develops rapidly with the filling process. When the dam is filled to an elevation of 1 680.0-1 736.0 m and an elevation of 1 736.0-1 752.0 m， the settlement increase rate is about 2-3 cm/8 m and 5-6 cm/8 m. The numerical results are in good agreement with the measured settlement deformation and deformation characteristics during the construction period. In the later construction and dam operation process， attention should be paid to the deformation of deep overburden， and the construction progress should be slowed down appropriately. A certain settlement period should be reserved for the staged panel pouring.

Key words： face rockfill dam; finite difference method; stress; deformation; cover layer; Altash face rockfill dam

混凝土堆石體是面板堆石壩的重要組成部分，其變形程度對壩體穩定和安全有很大影響[1]。壩體應力變形分析是壩體設計不可缺少的一部分[2]，施工期壩體應力變形是衡量大壩安全可靠性的重要指標[3]。隨著數值計算的快速發展，數值分析逐漸成為面板堆石壩應力變形分析的重要方法，其中基于有限元、有限差分原理的數值分析方法應用最為廣泛[4]。FLAC3D有限差分軟件在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等方面有其獨特的優勢[5]，FLAC3D軟件的應用范圍涵蓋水利、公路、鐵路、市政等領域，尤其在堆石壩、隧道、基坑、邊坡以及樁基等巖土工程中廣泛應用[6]。國內諸多學者采用FLAC3D軟件對土石壩進行了仿真模擬，楊星等[7]利用FLAC3D動力彈塑性模型對土石壩進行了地震反應分析，秦鵬飛[8]基于FLAC3D有限差分軟件對某病險水庫的防滲加固穩定性進行了分析計算。但當前涉及高寒地區深厚覆蓋層高面板堆石壩工程的研究較少。同時，有限元應力變形計算中，鄧肯-張E-B模型是面板堆石壩應力變形數值計算中最常用的材料本構模型之一[9]，但是主流大型數值計算軟件并沒有內置該模型[3]，FLAC3D中本構模型的二次開發不能通過其自帶的FISH語言來完成，必須通過面向對象的編程語言C++來實現[10]。

鑒于此，筆者依托阿爾塔什水利樞紐工程，運用三維有限差分軟件FLAC3D進行鄧肯-張E-B模型的二次開發，模擬分析施工期面板堆石壩壩體的應力變形，獲得深厚覆蓋層面板堆石壩施工期應力變形特征，通過與實測資料進行對比驗證數值計算結果的可靠性，并對施工期壩體變形的協調控制提出建議。

1?工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流下游河段的控制性水利工程，位于新疆維吾爾自治區南疆喀什地區。水庫總庫容22.49億m3，壩頂高程1 825.80 m，正常蓄水位1 820.0 m，在保證向塔里木河生態供水和葉爾羌河流域灌區灌溉用水的前提下，滿足防洪、發電等綜合利用要求。樞紐工程的攔河壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩高164.8 m，地基覆蓋層最大厚度為94 m，地基覆蓋層與大壩總高度達258.8 m（高于水布埡水電站的233 m）。工程主要受“三高一深（高邊坡、高面板堆石壩、高地震帶、深覆蓋層）”控制，因此被稱為新疆的“三峽工程”。壩體分為10個區，大壩橫剖面見圖1。

2?計算程序

首先提取壩區平面布置CAD圖模型的幾何尺寸;然后利用ANSYS進行建模（前處理），將模型導入FLAC3D軟件，模擬壩體分層施工過程并保存結果（求解）;最后導入Tecplot中進行計算結果的整理分析（后處理）。模型二次開發主要工作包括Visual Studio環境設置以及.h頭文件和.cpp源文件編碼。C++編譯鄧肯-張模型解決方案成功后生成動態鏈接庫文件（.dll文件），然后通過設置cppudm選項載入模型到FLAC3D模型庫中，通過model load命令供用戶調用。數值建模計算過程見圖2。

2.1?模型建立

依據設計圖和壩體分區，利用ANSYS建立的三維模型主要包含混凝土面板、擠壓邊墻、墊層區、過渡區、砂礫石料區、下游爆破料區以及覆蓋層地基。數值模型的總節點數為273 642，單元數為367 886。考慮到面板與擠壓邊墻可能產生錯動、滑移、脫空、擠壓等受力情況，接觸面模型采用摩爾-庫侖剪切模型。

2.2?材料參數

材料參數采用超大型三軸儀（試樣直徑1 000 mm和800 mm）的試驗結果，見表1，其中：γ為容重;c、φ為摩爾-庫侖強度指標，分別為黏聚力和內摩擦角;Rf為破壞比;K、n為初始切線彈性模量參數;Kb、m為體積模量參數;Δφ為摩擦角隨圍壓降低的幅度。本次計算采用的接觸面單元參數：內摩擦角φ取54°、法向剛度kn取1.5×108、切向剛度ks取1.5×108，抗拉強度、黏聚力、膨脹角都為0。

2.3?邊界條件及加載方式

數值模型地基覆蓋層厚度為94 m，忽略防浪墻等構造物的高度，壩高163 m，以模型最左下角的點為坐標原點，根據模型尺寸得出整體模型的坐標范圍：Z向0～257 m，Y向0～795 m，X向0～815 m。覆蓋層較厚可以視其下基巖是不變形的，模型底面Z=0。相應地，模型的前側面Y=0、后側面Y=795 m，模型左側面X=0、右側面X=815 m。

荷載主要有自重荷載和水荷載，本文研究深厚覆蓋層上面板堆石壩施工期應力變形特性，故僅考慮自重荷載作用。為了模擬堆石體分層填筑碾壓過程，在建立實體模型時沿壩體豎直高度方向，每8 m一層將模型切割分層，模擬計算時采用逐級加載方式，即壩體按照8 m一級分層逐級加載，壩體分20級填筑（加載）。主要分析深厚覆蓋層上面板堆石壩施工期應力變形特性，計算工況僅取竣工期。

3?壩體應力變形模擬結果分析

壩址區河谷地形條件具有較好的對稱性，為了便于和施工期實測數據進行對比分析，結合大壩監測資料，壩體應力變形分析選取壩0+160、壩0+475兩個具有代表性的剖面進行分析，這兩個剖面分別是偏向左岸的斷面和靠近中心河床位置的斷面。壩體應力變形模擬結果見圖3（水平位移為正表示位移方向向右、為負表示位移方向向左;應力為負表示應力方向豎直向下）、圖4、表2。

由圖3、圖4可知，壩0+160剖面和壩0+475剖面壩體內最大沉降量均發生在大壩約1/3高度位置，沉降變形整體呈較好的對稱性。靠近上游側的壩體和覆蓋層地基變形朝向上游，下游側的變形朝向下游，且水平位移向覆蓋層底部發展。兩個剖面覆蓋層的水平位移均表現為從壩坡坡腳向壩體內部發展的特征，壩坡坡腳變形最大。

兩個剖面的應力特征值見表3。最大主應力分布主要受重力作用影響，與豎直向應力分布特點較為接近，從大壩表面至覆蓋層地基底部位置，最大主應力沿豎直方向不斷增大并呈現一定規律性。同時，在填筑分區位置（上游砂礫石料與下游爆破料分界線）出現一條不太明顯的錯位現象，說明在分界面存在應力突變和剪切作用，施工時要注意分區部位的施工質量，保證填筑碾壓水平。將壩體和地基分開來看，從大壩表面到大壩底部、地基建基面到地基底面最小主應力呈增大趨勢。

4?模擬結果與實測結果對比

壩0+475剖面監測點布設見圖5。施工期實測變形結果與數值計算結果對比見圖6，其中實測時間為大壩填筑到高程1 795 m時。壩體最大沉降量發生在1/3壩高位置。在高程1 671.0 m和高程1 711.0 m，壩體最大沉降量分別為0.32、0.55 m，覆蓋層變形量占壩體最大沉降量的58%。河床深厚覆蓋層產生的壓縮變形對壩體的沉降變形影響較大。地基天然砂礫石是很好的面板壩筑壩材料，其碾壓后具有較大的變形模量使得后期變形較小，下游爆破料強度相對較低，故壩體實測沉降峰值略偏向下游爆破料區。

根據靠近壩軸線測點（TC3-3、TC2-4、TC1-5）的監測數據，沿豎直方向向下壩體沉降變形規律為初期變形較小，施工作業面以下10 m范圍內，沉降變形不超過10 cm;從施工作業面以下約35 m開始壩體沉降變形增長較快;再向下，每向下10 m壩體沉降變形增加4.5 cm左右。在建基面（高程1 671.0 m）附近，壩體沉降量為43 cm。數值計算沉降變形均大于相應監測點的實測值，但與實測變形趨勢較為吻合。上游側存在一定偏差但誤差在10 cm以內，數值模型可較為精確地模擬深厚覆蓋層上面板堆石壩的變形。

5?壩體填筑過程對沉降變形影響分析

壩0+475剖面1 671.00 m高程下，編號為TC1-1～TC1-7水管式沉降儀監測點分別對應該剖面壩上0+260、壩下0+192、壩上0+125、壩上0+056、壩下0-010、壩下0-081、壩下0-152位置。模擬了分層填筑施工的過程，在數值模擬軟件中利用hist命令跟蹤監測壩0+475剖面在高程1 671.0 m下對應監測點位的沉降值，分析壩體填筑過程對其沉降變形的影響，見圖7。

大壩填筑過程的沉降變形

TC1-1、TC1-2位于壩體上游砂礫石料區，TC1-1處和TC1-2處沉降速度約為1 cm/8 m和1.5 cm/8 m。在填筑到高程1 768.0 m時，兩處沉降變形速度分別增大到2 cm/8 m和3 cm/8 m。上游砂礫石料區是面板結構的主要支承堆石體，靠近上游側變形得到一定控制，有利于改善面板的受力狀態，較小的變形對面板結構是有利的。TC1-6位于下游側靠近壩軸線位置，TC1-5處于壩軸線上，這兩處的沉降變形幅度較大，表明在后續填筑過程中，靠近壩軸線位置的壩體沉降變形發展速度較快。高程1 680.0～1 736.0 m壩體填筑過程中，壩體沉降變形較為均勻，沉降速度為2～3 cm/8 m。高程1 736.0～1 752.0 m壩體填筑過程中，壩體沉降幅度較大，沉降速度為5～6 cm/8 m。高程1 760.0～1 825.0 m壩體填筑過程中，沉降變形速度顯著增大，其中TC1-4、TC1-5、TC1-6隨后續填筑沉降變形速度最快，為8～10 cm/8 m。

6?結?論

采用三維有限差分軟件FLAC3D對阿爾塔什水電站混凝土面板堆石壩進行了施工期應力變形模擬分析，將兩個斷面的模擬計算結果與大壩施工期實測資料進行對比分析，并對壩體填筑過程對沉降變形的影響進行了分析。

（1）由數值計算結果可知，壩0+160剖面和壩0+475剖面壩體內最大沉降量均發生在大壩約1/3高度位置。不同剖面的大、小主應力分布情況大致相同。壩體和壩基整體應力水平較低，壩體結構穩定。數值計算結果和實測沉降變形量吻合較好。

（2）實測壩體最大沉降變形發生在1/3壩高位置。壩0+475剖面的最大沉降量為0.55 m，覆蓋層的變形為0.32 m，覆蓋層的變形占壩體最大沉降變形的58%。河床深厚覆蓋層產生的壓縮變形對壩體沉降變形影響較大。后期施工和大壩運行過程中應對深厚覆蓋層的變形加以關注。

（3）靠近壩軸線壩體沉降變形隨填筑過程發展較快。高程1 680.0～1 736.0 m和高程1 736.0～1 752.0 m壩體填筑過程中沉降速度為2～3 cm/8 m和5～6 cm/8 m。此時，應綜合考慮工期影響，適當放慢施工進度以控制變形量，對于面板的分期澆筑應適當預留一定沉降期。

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【責任編輯?呂艷梅】