JLBLK面板堆石壩變形設計指標驗證分析

袁 磊

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

我國“十二五”至“十五五”經濟快速發展人民生活水平不斷提高，對電的需求每年也迅猛增長，但順應發展節能減排、“碳達峰”等重要政策提出后，一批綠色能源也得到了快速拖進，水利水電工程建設就是其中之一，特別是西北地區相關工程建設到了前所未有的高度，近年來無論是在大壩數量還是大壩高度上都有重大突破[1]，然而，國內外還有部分工程在運行后通過壩體內部監測資料及外部變形資料分析發現壩體變形量偏大[2]，從而導致防滲混凝土面板表面產生較多裂縫，嚴重時甚至使面板產生擠壓破壞等情況[3-5]。因此，壩體的變形控制對大壩的安全運行至關重要。

設計人員在設計階段大多采用室內試驗獲得設計指標下填筑料參數，再進行三維有限元分析壩體工后的最大位移、應力分布規律是否滿足設計要求。本文基于JLBLK水電站壩料的室內靜三軸試驗靜力參數進行有限元計算，通過計算填筑體與面板應力及變形，從而驗證壩料設計指標的合理性。

1 工程概況

新疆JLBLK水電站，正常蓄水位752m，總庫容2.32億m3，正常蓄水位相應庫容2.16億m3，樞紐為大(2)型Ⅱ等工程，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程757.0m，壩頂寬度10.0m，壩長460.0m，最大壩高140.3m。上游壩坡采用1∶1.5，下游壩坡上壩公路間采用1∶1.3，最大斷面下游平均坡度約為1∶1.70。

壩址段河谷呈“V”字形，右岸山體較陡峻，岸坡坡度在33°～65°，局部近直立；左岸山體較緩，岸坡坡度多在25°～54°，局部有陡坎。壩址區出露的地層巖性為石英斑巖和斜長花崗巖，右岸岸坡較陡，左岸相對較緩，由于巖體受到裂隙切割、巖脈分布密度影響其風化程度略顯不同，巖體主要以物理風化(溫差、遇水凍脹等)為主。

大壩壩體分區從上游至下游分為上游蓋重區、上游鋪蓋區、混凝土面板、墊層料區、特殊墊層區、過渡料區、爆破堆石料區。典型設計斷面如圖1所示。

圖1 大壩結構分區圖

壩體堆石填筑料、墊層料、過渡料的設計指標如下，除此之外在現場還進行了壩料爆破試驗及現場大型載荷試驗及碾壓參數試驗最終確實上壩材料級配、最優含水率、機具、碾壓變數、厚度等重要指標。壩體主堆石區由壩區花崗巖和石英斑巖石料場開采填筑并利用部分建筑物開挖石碴料，壩殼堆石料Dmax≤800mm，要求級配連續，5mm含量10%～20%，0.075mm含量<5%，填筑標準為孔隙率n≤20%，內摩擦角>40°，滲透系數在10-2～10-3cm/s。墊層料水平寬4m，由砂礫料場篩分而成，Dmax≤100mm，小于5mm的含量為30%～45%，<0.075mm的含量不大于8%，滲透系數控制在10-3～10-4cm/s，設計相對密度Dr≥0.85。過渡料水平寬4m，由砂礫料場篩分而成，Dmax≤200mm，小于5mm含量10～20%，小于0.075mm含量<5%，設計相對密度Dr≥0.85。經四方見證進行現場取料，堆石料、過渡料、墊層料由大連理工大學巖土試驗進行室內三軸試驗。同時根據現場碾壓試驗最終也確定了各個分區填筑參數指標，見表1。

2 筑壩材料靜三軸試驗

2.1 試驗儀器

室內三軸試驗采用高精度大型液壓伺服靜、動兩用三軸儀。該三軸系統的精度非常高且性能穩定，試驗精度比普通三軸儀提高一個數量級。設備的主要性能指標如下：最大軸向力：500kN(壓)/300kN(拉)；試樣尺寸：300mm×600mm。

2.2 試驗方法

試驗材料分別為堆石料、過渡料、墊層料，各種土料的控制干密度見表1，根據大壩的設計資料，堆石料、過渡料、墊層料最大粒徑均大于600mm，不滿足試驗儀器尺寸要求，依據當年規范要求以及現行最新規范均要求堆石料和過渡料可以通過等量替代和相似級配法進行縮尺，墊層料通過等量替代法進行縮尺[6]，以滿足室內試驗要求，堆石料、過渡料、墊層料試驗室控制干密度分別為2.16、2.21、2.19g/cm3，試驗級配曲線如圖2所示。

表1 各區主要堆石料的技術要求及填筑參數指標

圖2 試驗級配曲線

試件制備分6層，每層10cm，分層振搗制成試樣，本次試驗堆石料圍壓為200、400、800kPa，過渡料和墊層料圍壓為200、500、800kPa。

2.3 本構模型

本工程壩高140.3m屬于百米級高壩，壩體變形的計算模型采用目前使用較多的鄧肯-張EB模型。該模型的主要計算公式如下[7-9]：

(1)

(2)

(3)

式中，K、Kb、n、Rf、m、φ—土體的試驗常數，由常規靜三軸試驗所得；φ0—圍壓等于1Pa時所對應的φ；Δφ—反映φ隨圍壓降低的參數；K—初始模量，kPa；n—反映變形模量和圍壓關系，無量綱；Rf—破壞比，無量綱；C——黏聚力，kPa；φ0—摩擦角，(°)；Δφ—摩擦角增量，(°)；Kb—初始模量基數，kPa；m—反映初始模量隨圍壓變化的速率；σ1、σ3—大、小主應力，kPa；Bt—初始彈性模量，kPa;Pa—大氣壓強，Pa。

2.4 結果與分析

對不同材料在不同圍壓下的試驗結果進行處理，分別得到堆石料、過渡料、墊層料的偏應力σ1-σ3～εa關系和εv～εa關系如圖3所示。

圖3 不同壩料εv～εa關系曲線

由圖可知，3種筑壩材料σ1-σ3～εa關系和εv～εa關系均滿足一般規律，由表可知，筑壩堆石料、過渡料、墊層料的強度參數Φ0在44.5°～51.4°之間，ΔΦ在6.7°～12.9°之間，均在經驗的范圍內。3種壩料的K、n、Kb和m等參數也符合一般規律。

已建面板壩原觀資料表明，堆石壩的變形在建成后若干年逐漸停止，堆石的流變在宏觀上是衰減的。狹窄河谷堆石壩工后變形對防滲體應力影響至關重要，因此，在設計階段也對上述填筑壩料進行了流變試驗，本工程由大連理工大學在沈珠江流變模型基礎上結合多年試驗成果提出的三參數流變模型，以便計算壩體工后變形量。壩體變形計算時考慮壩料流變引起的應變增量，需要通過流變試驗成果整理出體積流變εvf以及剪切流變γf與應力之間的經驗函數表達式[10]。在三參數流變模型基礎上，將堆石體流變變形的體積流變εvf和剪切流變γf的計算公式修正為[11]：

(4)

式中，m1、m2、m3，b、c、d—模型參數；q—偏應力；Sl—應力水平;σ3—小主應力，kPa;Pa—大氣壓力，Pa。

3 三維靜力有限元計算分析

3.1 算模型及參數

通過建立本工程壩體各個區、面板的三維有限元網格用于變形計算，采用南京水科院自編程序進行計算，模型被離散為47145單元6面體實體實體單元，如圖4所示，節點共計28889個。考慮混凝土面板與墊層剛度差異較大，且在運行過程中可能存在脫空的可能性，因此，混凝土與散粒體接觸均采用Goodman接觸單元用于模擬不同材料的錯動與剪切變形[9-12]。

圖4 大壩三維網格圖

通過上述試驗成果整理參數，本次計算需要的三種筑壩材料鄧肯EB模型參數，見表2，混凝土面板、混凝土趾板、基巖參數見表3，面板與墊層料之間接觸面的模型參數見表4；面板縫受壓時取木板模量1000MPa。壩體流變模型參數見表5。

表2 鄧肯E-B模型參數

表3 線彈性材料參數

表4 接觸面參數

表5 壩體流變模型參數

3.2 工程模擬及計算工況

壩體填筑和蓄水有限元模擬的荷載步見表6。

表6 三維有限元計算分析荷載步

3.3 結果與分析

通過設計擬定填筑參數、室內三軸試驗成果及數值分析，將靜力計算成果列于表7。

表7 三維有限元計算堆石體應力變形最大值表

(1)竣工期壩體最大水平位移向上游32cm，向下游29cm，垂直沉降為51cm占壩高的0.36%，且壩體應力水平不高。

(2)滿蓄期壩體最大水平位移向上游27cm，向下游33cm，垂直沉降為54cm占壩高的0.38%。面板法向撓度為9cm，軸向拉應力0.3MPa，壓應力4.7MPa，順坡向拉應力1.2MPa，壓應力2.1MPa，拉壓應力值均小于C30混凝土允許拉應力1.43MPa及允許壓力應力14.3MPa要求。周邊縫最大剪切變形量為0.82cm，小于該處銅止水剪切允許變形量10cm的要求，最大張開量1.34cm，小于允許張開量10cm的要求。垂直縫順坡最大剪切變形量0.86cm，小于該處銅止水剪切允許變形量10cm的要求，最大張開量為0.34cm，小于允許張開量8cm的要求。

(3)壩體運行2年后最大垂直沉降為60cm占壩高的0.43%如圖5所示。最大水平位移向上游25cm，向下游33cm如圖6所示。面板法向撓度為12.1cm，軸向拉應力0.6MPa，壓應力6.2MPa，順坡向拉應力1.0MPa，壓應力3.4MPa。周邊縫最大剪切變形量1.22cm，小于該處銅止水剪切允許變形量10cm的要求，最大張開量為1.20cm，小于允許張開量10cm的要求。垂直縫順坡最大剪切變形量為0.84cm，小于該處銅止水剪切允許變形量10cm的要求，最大張開量為0.45cm，小于允許張開量8cm的要求。以上變形值符合堆石壩一般變形規律。結合表8國內外百米級面板堆石壩的沉降變形量，本工程與表中同類型壩[12-14]在竣工期及運行多年后的沉降變形量比較，各部位最大變形量偏小，符合同類型面板堆石壩的一般變形規律。

表8 國內外百米級堆石壩沉降變形量統計表

4 結語

JLBLK水電站面板堆石壩最大壩高140.3m，鑒于國內外100～200m級混凝土面板堆石壩面臨的變形控制難的問題，設計階段給出壩體堆石填筑料、墊層料、過渡料的設計指標，對上述填筑料進行室內試驗，試驗參數均符合一般規律。采用設計指標下的三軸參數通過三維有限元計算可知，在竣工期、滿蓄期以及運行2年后壩體變形均符合一般規律，壩體填筑料最大剪應力水平為0.72小于1.0無明顯剪切破壞。按照本次所提設計指標，本工程與國內同類型大壩變形量相比偏小，表明填筑標準較高，設計指標的合理，可以有效的控制壩體的變形。