流變效應對面板堆石壩變形影響分析

皮玉紅

(銅仁市萬山區水務局，貴州 銅仁 554200)

1 項目背景

混凝土面板堆石壩因對各類基礎適應性強、就近取材和造價低廉等諸多優點，因此被廣泛運用于水利工程中，本文針對大壩填筑過程中平行檢測時發現填筑料級配指標與混凝土面板堆石壩設計規范及技術要求不完全相符，現場對壩體堆石區、過渡區和墊層區不同位置布置了多組物理力學試驗，再根據試驗力學指標對大壩應力變形進行三維有限元計算，并通過在流變效應2種工況下進行壩體和面板應力變形的不同結果進行對比分析，為后期面板垂直壓性縫的縫寬設置提供依據，對有效預防面板開裂起到至關重要作用，可供同類工程借鑒。

2 壩體填筑質量分析

2.1 試驗布置

白泥水庫位于貴州省松桃縣大溝河上，總庫容218萬m3，屬Ⅳ等小(1)型水庫工程。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高52m，上下游壩坡均為1∶1.4，壩體填筑量52萬m3。大壩填筑至高程481m時，經現場試驗及監理方質量檢測，發現筑壩材料存在級配不均勻、碾壓后易破碎等不利情況。

為了對壩體填筑質量進行全面評價，依據SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》要求，在壩體現場共布置了9組試驗，其中堆石區、過渡區和墊層區在481m高程處各布置2組試驗；下游馬道處只考慮堆石區，分別在476、463、450m高程處布置3組試驗。

2.2 試驗檢測結果分析

現場密度、滲透系數及孔隙率進行試驗，其成果見表1，各項指標均滿足SL 228—2013《混凝面板堆石壩設計規范》要求。

表1 現場密度、滲透系數、及孔隙率試驗成果表

按照SL 228—2013和設計技術要求，顆粒級配分析試驗成果結論如下：

(1)堆石料實測最大粒徑600mm，最大粒徑滿足要求；粒徑300～600mm含量偏少，粒徑10～100mm含量偏多。

(2)過渡料級配良好，級配較連續，最大粒徑未超過300mm，滿足規范要求。

(3)墊層料級配連續，小于5mm粒徑顆粒含量32.0%～33.5%，小于規范要求的35%～55%；小于0.075mm含量2.8%～3.4%，小于規范要求的4%～8%。

(4)堆石區、墊層區和過渡區滲透系數均滿足設計規范要求。

3 大壩應力三維有限元分析

3.1 基本理論與方法

仿真分析中所用到的計算模型有2種，其中靜力部分采用堆石料鄧肯E-B本構模型，流變部分采用南科院七參數流變模型，接觸模擬主要設置在面板與面板之間，面板與趾板之間，面板與墊層之間，采用摩擦接觸來模擬。

堆石料是一種非線性材料，具有各向異性、剪脹(縮)性和壓硬性等特征，由于面板附著在堆石體上游面，因此堆石體的應力變形直接影響面板、接縫的應力變形，而面板、接縫能否正常發揮作用則是保證面板堆石壩安全運行的關鍵，對高面板堆石壩尤其重要。因此必須采用合適的本構模型來模擬堆石料的應力應變關系，而鄧肯E-B模型能較好地反映堆石材料的變形特征，并且模型的計算參數獲得比較簡單，因此本次計算采用鄧肯E-B模型。

3.2 面板堆石壩應力變形分析

3.2.1E-B模型計算參數

混凝土材料采用線彈性材料參數，混凝土面板為厚度0.4m的等厚面板，距10m或8m設一條垂直縫，趾板厚度和寬度分別為0.5m和5m，面板和趾板混凝土容重取25kN/m3，均采用C25混凝土，彈性模量為28GPa，泊松比0.167，堆石料、過渡料、墊層料計算所用參數通過做大型靜力三軸試驗獲得，其結果見表2。

表2 E-B模型參數

壩體分區為：混凝土面板、墊層區、過渡區、主堆石區和堆砌石區，堆石體本構模型采用鄧肯E-B模型，堆石體材料分區如圖1所示。

圖1 堆石體材料分區

3.2.2七參數流變本構模型計算參數

本次計算考慮流變，堆石料流變參數采用七參數流變本構模型參數值，見表3。

表3 七參數流變本構模型參數

3.2.3計算模型

在堆石壩應力、變形仿真計算中，堆石體的本構關系采用鄧肯E-B模型，混凝土面板視為線彈性體，面板與墊層之間的接觸面、面板豎縫以及周邊縫的模擬采用三維非線性面-面摩擦接觸單元。

面板壩共離散為37148個單元，49932個節點，主要采用8結點6面體單元，為適應邊界過渡，采用部分棱柱體單元，白泥水庫面板堆石壩三維有限元計算模型及壩體材料分區示意如圖2所示。壩體部分單元大小為2.5m左右，面板部分單元長邊為1m左右，沿厚度方向分為3層建模。

圖2 三維有限元模型

3.2.4壩體計算結果及分析

根據理論方法和建模計算，在不考慮流變效應和考慮流變效應2種計算工況下，最大斷面壩體應力和變形極值見表4。其位移及應力的正負號規定：壩體豎向位移以向下為正，水平位移以指向下游為正；壩體應力以壓應力為正，拉應力為負。

結論分析：從表4和圖3—8可知，不考慮流變效應與考慮流變效應2種工況下壩體位移、沉降和應力值總體相差不大，總體上考慮流變特性后位移、沉降、應力值增大；對比現場觀測記錄，大壩沉降值與考慮流變效應工況更加接近，符合面板壩的一般規律。

圖3 不考慮流變效應的竣工期壩體水平位移圖(單位：cm)

圖4 考慮流變效應的竣工期壩體水平位移圖(單位：cm)

圖5 不考慮流變效應的蓄水期壩體沉降圖(單位：cm)

圖6 考慮流變效應的蓄水期壩體沉降圖(單位：cm)

圖7 不考慮流變效應的蓄水期壩體大主應力圖(單位：MPa)

圖8 考慮流變效應的蓄水期壩體小主應力圖(單位：MPa)

表4 壩體應力和變形極值

(1)竣工期壩體水平向上游位移值基本一樣，其位移最大值1.86cm；在蓄水期和穩定期，考慮流變后，壩體向上游位移減小，向下游位于增大；最大值2.04cm，發生在穩定期。施工期壩體水平位移以壩軸線為界，呈對稱分布，由于壩體自重，使得上游側壩體向上游移動，靠下游壩體向下游移動。

(2)考慮流變效應情況下穩定期，在壩體中間，位于1/2壩高處發生最大沉降，其最大值為9.49cm，約占壩高0.2%，遠低于規范值。

(3)壩體最大主應力和最小主應力發生在蓄水期，其最大值0.74MPa，最小值0.29MPa。

3.2.5面板計算結果及分析

在不考慮流變效應和考慮流變效應2種工況下，面板應力和變形極值見表5。面板變形和應力如圖9—12所示。

表5 面板應力和變形極值

通過圖9—12看出，在不考慮流變效應和考慮流變效應2種工況下，面板最大撓度均發生在河床中間面板1/3～1/2壩高處；面板軸向位移呈現兩岸向中間移動趨勢；面板軸向應力和面板順坡向應力發生在中間面板1/3壩高處，其數值呈現兩岸低中間高，但均在規范允許范圍內。

圖11 不考慮流變效應的蓄水期面板應力圖(單位：MPa)

圖12 考慮流變效應的蓄水期面板應力圖(單位：MPa)

4 結論

白泥水庫工程已經正常蓄水運行2年，充分驗證了白云巖完全可以選作面板堆石壩的填筑材料，建議在設計和施工過程中應注意以下問題：

(1)在壩體填筑過程中控制填料級配，加大堆石區大粒徑填料含量，簡易分選；

(2)壩體填筑完成后，預沉降6個月或待壩體沉降速率小于5mm/月后低溫季節再澆筑面板，且面板壓性垂直縫的縫寬必須大于8mm，避免面板發生擠壓破壞。