安村水庫大壩堆石料流變變形分析

謝玉華

（遂川縣水利工程建設管護中心，江西 吉安 343900）

0 引 言

堆石壩因具備較好的基礎適應性，能就地取材，造價低，抗震性好，而在水利水電工程中得到廣泛應用。但工程運行結果表明，堆石壩在長期運行過程中堆石料存在較大流變變形，且堆石壩高度越大，堆石料流變變形更嚴重。水庫大壩堆石料流變變形使大壩防滲體受力性狀惡化，甚至引發面板脫空、擠壓破碎、拉伸裂縫，十分不利于堆石壩后期正常運行。同時由于堆石料流變變形模型參數存在較大的確定難度，技術人員很難對堆石料流變變形展開準確分析和深入了解。室內試驗所得到的堆石料流變規律與工程現場運行結果不盡相同，室內流變試驗變形穩定速度快，通常7～10d 即可達到穩定狀態；但堆石壩實體流變變形通常會持續若干年。所以，室內試驗流變參數無法準確反映現場壩體運行實際。而借助大壩實測資料展開反演分析為堆石料流變參數確定提供了可能。但當前對相關數學模型的研究并不充分，分析精度也不高，再加上水庫大壩堆石料施工及蓄水過程中彈塑性瞬時變形以及隨時間變化的流變變形混雜交錯，很難分離；根據變形反演堆石料流變參數的可靠性也受到影響。現有研究成果主要集中在100～200m 級的堆石壩，對300m 級堆石壩流變變形研究較少。

基于此，文章以具體的水庫工程為例，展開大壩堆石料流變試驗及三維有限元數值模擬，對300m 級堆石壩壩料流變特性及對壩體安全的影響進行研究，為大壩安全運行提供借鑒。

1 工程概況

安村水庫位于贛江水系遂川江南支（左溪河）上游遂川縣湯湖鎮白土村，地理位置E114° 08′ 55.68″，N26° 03′ 47.88″ 。 距遂川縣城68km，壩址以上控制流域面積135km2，水庫正常蓄水位與設計洪水位相同，均為430.00m（黃海高程），總庫容2 003.2×104m3，相應500a 一遇校核洪水位431.35m，電站裝機3×4 000kW，多年平均發電量為4 380×104kW·h。該水庫大壩從上游至下游壩體材料分區依次為墊層區、過渡區、主堆石區、次堆石區、下游堆石區；水庫大壩于2018 年3 月建成蓄水。

2 堆石料流變試驗

2.1 試驗設計

制備直徑300mm、高700mm 的壩料試樣，上下游堆石料試樣干密度分別為2.15g/cm3 和2.078g/cm3；試驗級配見表1。試驗開始后，先結合飽和樣所對應的常規三軸試驗對強度指標展開確定，具體需要量化確定圍壓取0.5MPa、1.2MPa、2.0MPa、3.0MPa 以及應力取0MPa、0.35MPa、0.5MPa、0.8MPa 時的偏應力水平值。但是，如果三軸應力取值情況已知，則只需要采用常規三軸試驗在相等的試驗壓力下，使試樣固結并剪切至設計應力，在此基礎上在確定的應力水平下再實施流變變形試驗，按照相鄰24h 讀數差與總流變量之比不超出5%的規則對試驗結果實施控制[1]。

表1 堆石料試驗級配

2.2 試驗結果

根據試驗設計，在進行堆石料流變變形試驗時，先將試料剪切至設計應力水平，再測定既定偏應力下可能的流變量[2]。因為荷載施加后堆石料隨即會發生流變，故應將荷載施加點視為流變起點，并以流變變形穩定點為流變終點。下游堆石料體積流變、軸向流變、剪應變流變等試驗結果見表2。根據表中試驗結果，對于圍壓較低的堆石料，流變明顯較小，隨著圍壓的增大，堆石料流變特性表現更加突出，當圍壓達到3.0MPa 且應力水平為0.8MPa 時，堆石料最終軸向變形、最終體積流變和最終剪應變流變分別達到1.3658%、1.1003%和0.9990%。堆石料流變除受到圍壓影響外，還受到剪應力的較大影響。在堆石料變形尺寸效應的作用下，堆石壩試樣達到設計穩定狀態基本需要7d 時間，但根據原觀測資料所判斷出的工程現場壩料流變效益持續時間可達到1～2a。

表2 下游堆石料流變變形試驗結果

3 有限元分析

3.1 模型構建

在剖分三維有限元網格時，以8 結點六面體等參單元為實體單元，考慮到壩料分區變化及邊界條件，部分按照退化的六面體單元處理，共剖分為10 341 個單元和10 556 個節點。應用模型進行壩體分成填筑、面板澆筑、蓄水過程等的模擬。壩體和基巖接觸面、面板和擠壓墻接觸面、擠壓墻與墊層料之間的等效接觸面等模型參數，均通過大型接觸面試驗予以確定。

計算過程中，通過逐級加載的方式對壩體2018 年3 月開始建設到2020 年12 月建成蓄水之間的運行過程展開模擬，并通過水荷載分級施加方式展開水庫蓄水期堆石壩流變變形模擬。

3.2 分析結果

3.2.1 流變模型參數反演

該水庫大壩上游壩坡為1∶1.4，堆石壩靜力分析彈塑性模型參數見表3。該水庫堆石壩最大斷面軸線處3 個不同高程測點位置見圖1，將反饋參數流變計算結果和沉降實測結果展開比較分析。

圖1 堆石壩典型高程測點的位置（單位：m）

表3 堆石體靜力分析彈塑性模型參數取值

3 個測點流變參數反演計算的累計沉降流變變形和實測沉降的比較見圖2～圖4。根據圖中結果，3 個測點堆石料流變變形實測值、室內模型值和三維模擬結果在發展規律上具有較好的吻合度；其中高程235m 和265m 的總體沉降變形發展規律與實測值較為接近，但高程300m 的沉降變形發展規律模型結果和模擬結果與實測值存在一定程度的偏離，造成這種現象的原因主要在于測點數值波動較大而引起測點測量誤差以及流變模型系統誤差[3]。

圖2 堆石壩235m 高程中心點沉降變化趨勢

圖3 堆石壩265m 高程中心點沉降變化趨勢

圖4 堆石壩300m 高程中心點沉降變化趨勢

根據對不考慮堆石料流變滿蓄情況下大壩沉降變形的分析可知，在該情況下模擬出的堆石壩滿蓄時最大沉降量為2.31m，而考慮流變效應后的最大沉降為2.43m，增大了5.1%。結合工程施工實際，水庫大壩澆筑至上游側360m 高程時最大沉降僅為1.92m，結合壩體流變變形發展趨勢，考慮流變效應后最大沉降量的預測結果合理可信，預測值基本位于合理范圍。

3.2.2 河床斷面變形

根據堆石料流變變形所引發的填筑施工期內河床斷面變形矢量圖，上下游兩側堆石料流變變形較大，進而向心墻方向持續擠壓，由此所產生的上下游側、垂直向最大流變變形分別為14.3cm、9.0cm、54.9cm。考慮流變效應后指向下游側的順河向位移呈增大趨勢，最大值增至67.1cm；指向下游側的順河向位移則減小，最大值降至25.9cm；垂直向沉降增至309.4cm[4]。

通過分析堆石料流變變形影響下水庫大壩蓄水10a 后河床最大斷面變形矢量可以看出，大壩運行期間，壩料流變變形呈現出從心墻向上下游兩側擠壓的態勢，指向上下游側順河向位移增量分別為4.9cm、7.2cm，垂直向位移增量為14.1cm。考慮到該水庫大壩填筑周期長達5a，主要流變變形發生在蓄水期之初，在此后的運行過程中流變變形較小。

分析堆石料流變變形影響下水庫大壩蓄水10a后河床最大斷面順河向位移及沉降等值線圖可以看出，蓄水后大壩堆石料流變變形方向主要從心墻向兩側擠壓，且指向上游側順河向的位移最大值增至28.5cm，指向下游側順河向位移最大值降至60.4cm；最大沉降量增至316.7cm。

4 結 論

綜合文章分析，水庫大壩堆石料流變現象主要由堆石體物理力學屬性、應力等引起，在堆石料發生流變后，剪應變主要呈增大趨勢，體積應變也因為圍壓的增大而持續增大。根據仿真模擬分析結果，在無堆石料流變變形影響的情況下，例如蓄水期內，壩體最大沉降約為壩高的0.8%；考慮流變變形后蓄水期壩體最大沉降約為壩高的1.0%，且發生位置偏低。對于該水庫實際而言，堆石料流變變形主要發生在2018 年3 月開始建設到2020 年12 月建成蓄水之間，此后運行期內流變變形趨于穩定。考慮到影響水庫堆石壩壩料流變特性的因素眾多，文章分析結果仍有待進一步工程檢驗。