蓄水期堆石混凝土重力壩力學(xué)和變形特征研究

徐 波

(中電建海南建設(shè)投資有限公司，海口 570100)

1 概 述

混凝土重力壩性質(zhì)穩(wěn)定、造價(jià)低廉，同時(shí)又便于施工，是一種常見的壩體結(jié)構(gòu)。因此，許多學(xué)者對(duì)混凝土重力壩的力學(xué)特性和變性特征進(jìn)行了一系列研究。如胡良明等[1]考慮了地震的影響，通過(guò)有限元軟件建立壩體三維模型，研究了混凝土重力壩的抗震性能。韓華燁等[2]建立混凝土重力壩損傷模型，探討了在水下多彈爆炸情況下混凝土重力壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律和破壞模式。錢向東等[3]將廣義阻尼模型應(yīng)用在混凝土重力壩抗震分析中，并對(duì)比與其他模型的差異。黃謝平等[4]通過(guò)數(shù)值模擬手段，分析了不同爆炸位置對(duì)混凝土重力壩的破壞效果。熊磊等[5]通過(guò)有限元方法，研究了在動(dòng)荷載作用下混凝土重力壩的變形特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。潘子悅等[6]通過(guò)有限元軟件，建立壩體-地基-庫(kù)水三維耦合模型，分析了地基尺寸、地基輻射阻尼和庫(kù)水可壓縮性等因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。姚倩茹等[7]提出用于評(píng)價(jià)混凝土重力壩易損性的綜合破壞指數(shù)，并與單一響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明綜合破壞指數(shù)可以對(duì)地震作用下壩體易損性進(jìn)行全面、客觀的評(píng)價(jià)。周蘭庭等[8]通過(guò)非對(duì)稱去趨勢(shì)相關(guān)性分析法，從整體和局部?jī)蓚€(gè)方面分析了混凝土重力壩的變形特性。

為了研究堆石混凝土重力壩的力學(xué)特性和變性特征，本文依托貴州某水電站工程，對(duì)不同階段、不同位置處的壩體溫度和滲透壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)有限元軟件，建立堆石混凝土重力壩仿真模型，同時(shí)考慮超載倍數(shù)的影響。以期研究成果對(duì)混凝土重力壩工程的施工和設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

2 工程概況

本文依托某水電站工程，該水電站壩體為混凝土重力壩，上游臨時(shí)斷面已填筑上升122 m(設(shè)計(jì)最大壩高156 m)到848 m高程，具備抵擋500年一遇洪水的條件；累計(jì)完成填筑方量約800×104m3，約占?jí)误w填筑總量的70%。Ⅰ期混凝土面板到796 m高程，控制流域面積54 508 km2，多年平均流量951 m3/s，該水電站總體庫(kù)容約為9.10×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容2.87×108m3。在上游設(shè)置有厚度0.5 m的防滲層，在防滲層之上布置有鋼筋網(wǎng)。圖1為該混凝土重力壩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置情況。

圖1 混凝土重力壩監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖1中，通過(guò)C15堆石混凝土對(duì)壩體進(jìn)行澆筑，齡期為90 d，填筑量總計(jì)約8×104m3。圖1(b)為斷面A-A的剖面圖，在該斷面共布置6個(gè)溫度計(jì)，以便對(duì)該壩段的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，還布置有8支滲壓計(jì)和5個(gè)壩頂綜合位移點(diǎn)，以便對(duì)壩基滲壓和壩頂位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖2為2019年12月至2021年6月的水電站蓄水位曲線。約在2020年10月份蓄滿水，之后一直保持在較高的庫(kù)水位狀態(tài)。

圖2 水電站蓄水位變化曲線

3 蓄水運(yùn)行監(jiān)測(cè)

3.1 溫 度

該水壩施工用時(shí)約為13個(gè)月，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶职l(fā)布的數(shù)據(jù)，該地平均氣溫約15.1℃。圖3為施工階段壩體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況。從圖3中可以看出，在施工階段壩體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化未出現(xiàn)較為明顯的一般性規(guī)律，變化幅度較大且不穩(wěn)定。T1-T3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處在同一高程，在混凝土澆筑初期階段均出現(xiàn)了較大的溫升。整體而言，溫度較高的為T2監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在施工初期達(dá)到峰值，約為32℃；隨著施工的進(jìn)行，整體上出現(xiàn)降低趨勢(shì)；施工完成后，穩(wěn)定在22℃。T1監(jiān)測(cè)點(diǎn)和T3監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)和數(shù)值大小均較為接近，主要原因是由于T2監(jiān)測(cè)點(diǎn)處在混凝土剖面的中線位置，距離兩側(cè)邊緣均較遠(yuǎn)，導(dǎo)致散熱困難。此外，T2監(jiān)測(cè)點(diǎn)在澆筑時(shí)的溫度已經(jīng)非常高，達(dá)到23℃，實(shí)際澆筑后升溫溫度小于10℃。而T4-T6監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于壩體上部，澆筑前溫度較低，入倉(cāng)溫度僅為5℃左右，澆筑完成后最高溫度未超過(guò)25℃。總之，堆石混凝土絕熱溫升不高，通過(guò)控制混凝土入倉(cāng)溫度是控制施工階段壩體溫度的有效手段。

圖3 施工階段壩體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化

該水電站在蓄水完成之后，其水位線通常為780～795 m之間。圖4為運(yùn)營(yíng)階段壩體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況。

圖4 運(yùn)營(yíng)階段壩體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化

從圖4中可以看出，相較于施工階段壩體溫度，大壩運(yùn)營(yíng)階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壩體溫度較低，除T3監(jiān)測(cè)點(diǎn)之外，其余各點(diǎn)測(cè)得的壩體溫度均未超過(guò)25℃。同一高程的T1-T3變化趨勢(shì)均不相同，T1監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近上游位置，受水文影響較大，溫度始終維持在13℃左右，未出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)；T2監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于壩體中心線位置，距離兩側(cè)邊緣均較遠(yuǎn)，散熱困難，溫度相對(duì)T1而言較高，在17℃左右波動(dòng)；T3靠近下游位置，受到外界溫度影響較大，且下游水位較低，不易通過(guò)庫(kù)水進(jìn)行降溫，因此溫度最高且變化幅度較大，波動(dòng)區(qū)間為12℃～26℃。T6監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近壩頂位置處，因此T6監(jiān)測(cè)溫度受外界影響較大，呈現(xiàn)季節(jié)周期性規(guī)律。

3.2 滲透壓力

圖5為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)壩基滲透壓力變化曲線。

圖5 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)壩基滲透壓力變化曲線

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，在施工階段，壩體滲透壓力較小，在0～0.05 MPa范圍內(nèi)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要變動(dòng)區(qū)間為蓄水期間，隨著蓄水的進(jìn)行，滲透壓力逐漸增大。庫(kù)水蓄滿后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲透壓力保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，存在一定的小幅度波動(dòng)。P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)和P5監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于帷幕前，在蓄水階段和蓄水完成后的階段均表現(xiàn)出較大的滲透壓力，庫(kù)水蓄滿后其滲透壓力分別為0.35和0.25 MPa。除P1和P5監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余6點(diǎn)均在帷幕后，其滲透壓力較小，基本未超過(guò)0.15 MPa，顯示出帷幕較好的止水效果。

4 有限元混凝土重力壩模型

為了進(jìn)一步研究壩體變形和蓄水超載情況下的受力變形特性，本文通過(guò)有限元軟件，建立了堆石混凝土重力壩模型進(jìn)行仿真計(jì)算。模型根據(jù)壩體實(shí)際結(jié)構(gòu)類型和尺寸進(jìn)行1∶1建模，模型中壩體材料主要為自密實(shí)混凝土、堆石混凝土、常態(tài)混凝土和基巖4部分。根據(jù)熱力學(xué)傳導(dǎo)理論和相關(guān)的研究，上述材料的熱力學(xué)有限元計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型材料的熱力學(xué)有限元計(jì)算參數(shù)

根據(jù)相關(guān)模擬研究并結(jié)合實(shí)際情況，模型邊界條件劃分為底部為固定端、四周為法相固定、頂部為自由端。為保證在計(jì)算精度的前提下兼顧計(jì)算效率，在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)壩體及壩體周圍進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，共劃分出153 513個(gè)有限元網(wǎng)格，圖6為該堆石混凝土壩的有限元網(wǎng)格模型。

圖6 堆石混凝土壩有限元網(wǎng)格模型

5 超載工況下大壩結(jié)構(gòu)性能分析

本文通過(guò)水頭超載法，對(duì)該混凝土重力壩進(jìn)行了超載計(jì)算，以研究在蓄水工況下該水壩的結(jié)構(gòu)性能。超載因素表示水的計(jì)算容重與實(shí)際容重之比。由于混凝土有較強(qiáng)的抗壓能力，而自身抗拉能力較弱，因此通過(guò)Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則模擬混凝土壩體以及巖體的非線性，通過(guò)理想彈塑性對(duì)材料屈服后進(jìn)行計(jì)算。

圖7 不同壩高位置處位移與超載倍數(shù)變化曲線

圖7為不同壩高位置處位移與超載倍數(shù)變化曲線。從圖7中可以看出，隨著超載倍數(shù)的增加，同一壩體位置處的位移出現(xiàn)增長(zhǎng)，且超載倍數(shù)越大，壩體順河向位移增長(zhǎng)速度越快，屈服區(qū)域也逐漸擴(kuò)大，可見超載對(duì)壩體的破壞性較為顯著。就不同壩體位置處而言，在超載倍數(shù)較低工況下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的順河向位移較小，也較為接近。隨著超載倍數(shù)的增加，各測(cè)點(diǎn)順河向位移間的差異逐步增大。總體而言，順河向位移最大的為壩頂位置處，其次由大到小依次為3/4壩高、1/2壩高、1/4壩高、壩底，可見順河向位移與壩體監(jiān)測(cè)位置高度成正比，所在位置越高，順河向位移越大。此外，在超載倍數(shù)達(dá)到10時(shí)，雖然各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移已經(jīng)很大，壩頂位移達(dá)到42.3 mm，壩底位移也達(dá)到15 mm左右，但仍未出現(xiàn)上下游貫通性的屈服破壞，這表現(xiàn)出該堆石混凝土水壩的整體安全性較高，其穩(wěn)定性也較為良好。

6 結(jié) 論

為研究堆石混凝土重力壩的力學(xué)特性和變性特征，本文依托貴州某水電站工程，對(duì)不同階段、不同位置處的壩體溫度和滲透壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過(guò)有限元軟件，建立了堆石混凝土重力壩仿真模型，同時(shí)考慮了超載倍數(shù)的影響。結(jié)論如下：

1) 在施工階段，壩體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化未出現(xiàn)較為明顯的一般性規(guī)律，變化幅度較大且不穩(wěn)定。總體而言，堆石混凝土絕熱溫升不高，通過(guò)控制混凝土入倉(cāng)溫度是控制施工階段壩體溫度的有效手段。

2) 相較于施工階段壩體溫度，大壩運(yùn)營(yíng)階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壩體溫度較低，除T3監(jiān)測(cè)點(diǎn)之外，其余各點(diǎn)測(cè)得的壩體溫度均未超過(guò)25℃。大壩靠近下游位置和上部位置，受外部影響較大，呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律。

3) 在施工階段，壩體滲透壓力較小，庫(kù)水蓄滿后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲透壓力保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，存在一定的小幅度波動(dòng)。帷幕后的監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲透壓力較小，體現(xiàn)了帷幕良好的止水效果。

4) 在超載倍數(shù)達(dá)到10時(shí)，壩頂位移達(dá)到42.3 mm，壩底位移達(dá)到15 mm左右，但仍未出現(xiàn)上下游貫通性的屈服破壞，這表現(xiàn)出該堆石混凝土水壩的整體安全性較高，其穩(wěn)定性也較為良好。