狹窄河谷陡邊坡高面板堆石壩應力變形研究

侯冰鈴，聶柏松

(1.杭州余杭林業水利投資有限公司，浙江 杭州 310000；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

迄今為止國內外建設了許多高面板堆石壩，其工程實踐說明在合適的外部條件及較好的設計施工水平下，堆石壩變形整體可控，面板不會出現危害性裂縫[1-2]。但是在狹谷區域的部分高面板堆石壩，例如格里拉斯(Golillas)面板壩、里蘇(Lesu)面板壩等，岸坡處堆石體變形較大，過大的變形引起該部位面板開裂以及止水結構損壞。這種現象曾有報道，但并沒有引起重視。有限元計算時，多數情況下采用固支模擬岸坡處堆石結點，沒有研究兩者之間的滑移現象，在工程設計上也缺乏針對性的措施[3]。

面板堆石壩岸坡和堆石體之間的連接應為摩擦接觸。若岸坡平緩，堆石受自重作用下應力應變的增量方向接近岸坡面的法線方向，因此切向的荷載比法向荷載小，即便是水壓或接觸面的摩擦力發生一定的衰減，也不太可能導致兩者間摩擦接觸狀態的變化，堆石不會沿接觸面滑動，這種情況下采用固支模擬岸坡部位堆石結點是合適的[4-5]。但窄陡河谷中的堆石壩，受自重荷載作用壩體沉降以豎直向為主，應力應變增量方向接近岸坡面方向，因此切向增量大于法向增量，當切向力大于抗滑力時，堆石體將滑移[6-9]。目前國內外學者對復雜地形上的面板堆石壩開展了大量研究，Hunter等[10]研究了河谷形狀產生的拱效應，并提出考慮河谷形狀因子的壩體變形預測方法；楊杰等[11]研究了特殊地形對高面板堆石壩應力變形的影響，提出河谷地形對其應力變形影響較大；黨發寧等[12-13]研究了非對稱高面板堆石壩應力變形特點；朱晟等[14]對狹窄河谷上的面板堆石壩應力變形特征進行了較多的探討。

江坪河水電站位于湖北省鶴峰縣境內，兩岸山坡大部分陡峻，但其中有兩處較為平緩的臺地，河床以基巖為主。為研究狹窄河谷陡邊坡對面板堆石壩應力變形影響，采用無厚度的goodman單元接觸模型，模擬岸坡與堆石填筑區的接觸關系，并與按固支模擬的的結果相比較。

1 工程概況

江坪河水電站位于湖北省鶴峰縣境內，為Ⅰ等大(1)型工程。壩頂高程479 m，壩高219.5 m。上游壩坡坡比為1.0∶1.4，下游壩坡坡比為1.00∶1.36，設置4級馬道，馬道寬2.0 m。堆石料以冰漬礫巖為主，河谷寬高比為1.88。壩址區兩岸山坡大部分陡峻，但其中有2處較為平緩的臺地，河床以基巖為主。大壩典型剖面見圖1。

2 計算模型及參數

江坪河水電站混凝土面板堆石壩堆石料以灰巖和冰漬礫巖為主， E-B模型參數見表1。

大壩填筑分46級施加荷載，堆石與岸坡連接關系按2種方式模擬：考慮到岸坡基本為基巖，基巖的變形遠小于堆石體變形，按常規方法以固支模擬；采用無厚度的goodman單元接觸模型模擬[15]。三維非線性分析中無厚度goodman單元接觸面單元的2個切線方向勁度為：

(1)

當接觸面受壓時，取法向勁度系數Kyy=108kN/m3；當接觸面受拉時，取Kyy=10 kN/m3。

3 計算結果

3.1 堆石體應力變形

表2中列出了2種方案下，壩體的應力變形極值。圖2為滿蓄期壩軸線剖面左岸堆石與岸坡接觸部位典型結點的滑移量。江坪河面板堆石壩河谷形狀呈V型，壩體上半部分河谷邊坡較緩，下半部分邊坡較陡，近乎垂直。從圖中可以看出，在375 m高程以上，岸坡堆石的滑移量較小，但是在375 m高程以下，岸坡堆石的滑移量迅速增大，滑移極值達到15.81 cm，靠近壩基面位置滑移量有所減小，邊坡陡峭部位堆石與岸坡之間相對變形較大，產生了滑移。采用固支模擬岸坡壩段堆石結點無法模擬這種滑移，顯然不符合狹窄河谷的實際狀況。

圖3、4為滿蓄期2種模擬方法下0+283 m剖面(岸坡壩段)的位移分布，2種條件下壩體變形規律相似。按摩擦接觸考慮情況下，滿蓄期壩體受水壓作用，水平位移的方向由向上游變為向下游，豎向位移的方向為豎直向下，等值線呈水平分布。但按摩擦接觸處理時，2個方向位移值均比按固支考慮時大，其中岸坡壩段最為明顯，水平方向和豎直方向分別增加了0.54、3.09 cm，這是由于采用無厚度的goodman單元接觸模型能夠模擬高陡邊坡部位壩體與岸坡間的滑移，而高陡邊坡部位主要位于岸坡壩段，因此考慮摩擦接觸條件下岸坡壩段位移相較按固支處理條件下相對增大。

a)水平向

圖5—9為堆石體的應力成果，2種條件下，其規律相似。但考慮接觸摩擦條件下，岸坡處堆石發生滑動，應力調整，其應力分布較為均勻，主應力最大值部位處于巖質地基上，應力值相對減小；河床段主應力最大值發生在壩基附近，應力值相對按固支處理時增加，未發現應力圈，表明河床部位應力分布拱效應降低。從圖9可以看出，在320 m高程以上，兩種情況河床壩段剖面壩軸線上的大小主應力相差不大，但是在320 m高程以下，即靠近壩基面部位，考慮摩擦接觸作用計算得到的應力明顯高于固支計算結果，這也表明河床壩段的應力拱效應降低。

a)第一主應力

a)第一主應力

a)第一主應力

a)第一主應力

a)第一主應力

b)第三主應力

圖10、11為按接觸摩擦處理時，滿蓄期壩軸線剖面主應力，其第一、第三主應力分布規律相近，從頂部至壩基主應力變大，且第一主應力最大值出現在壩肩而不是壩基，說明其應力分布存在拱效應[16]。

圖10 按接觸摩擦處理滿蓄期壩軸線剖面第一主應力等值線(kPa)

圖11 按接觸摩擦處理滿蓄期壩軸線剖面第三主應力等值線(kPa)

3.2 面板應力變形

圖12、13為2種條件下滿蓄期面板撓度和左右岸方向位移分布，2種情況下面板撓度及左右岸方向位移分布基本一致，撓度最大部位均出現在面板中下部，考慮接觸摩擦后面板撓度最大值相對降低，面板左右岸方向位移極值略有增大[17-18]，但總體上差距不大。

a)撓度

a)撓度

圖14、15為滿蓄期面板順坡向及左右岸方向的應力等值線圖。圖16為2種情況下，河床壩段面板單元應力的對比圖。2種情況下面板順坡向應力分布相似。按固支考慮條件下，位于河床壩段的面板底部拉應力值偏大，與實際狀況不符。按接觸摩擦處理時，受壓區面板應力值相對按固支考慮條件下增大，位于岸坡部位受拉區的面板應力值相對降低[19]。

a)順坡向

a)順坡向

a)順坡向

河床壩段的堆石有明顯的的拱效應，填筑不密實，蓄水后，該部位的面板受水壓荷載出現較大的拉應力。但按摩擦接觸處理后，由于堆石可以滑移，該部位堆石填筑緊密，應力分布相對均勻，拱效應降低，蓄水后，該部位面板輕微受壓，與實際情況相符。2種情況下左右岸方向應力分布規律相似。

4 結論

a)滿蓄期壩軸線剖面左岸堆石與岸坡接觸部位典型結點的滑移量曲線表明，高陡邊坡部位岸坡堆石的滑移量迅速增大，滑移極值達到15.81 cm，滑移值較大。表明考慮堆石與岸坡間的摩擦接觸相對符合狹窄河谷的實際狀況。

b)岸坡與堆石連接分別按接觸摩擦和固支考慮條件下，堆石體變形和應力分布規律基本相同，但考慮接觸摩擦能模擬岸坡壩段堆石與岸坡間的滑移，因此位移值相對按固支考慮條件下增加，同時因滑移后應力調整，主應力最大值相對降低。

c)蓄水后，左右岸方向位移和面板撓度變化較小。考慮接觸摩擦后，受壓區應力相對增加，岸坡坡度變化部位面板拉應力降低。河床壩段的堆石有明顯的的拱效應，填筑不密實，蓄水后，該部位的面板受水壓荷載出現較大的拉應力。但按摩擦接觸處理后，由于堆石可以滑移，該部位堆石填筑緊密，應力分布相對均勻，拱效應降低，蓄水后，該部位面板輕微受壓，與實際情況相符。