混凝土面板堆石壩靜力分析

蘇 丹

（槐蔭黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250118）

靜力有限元分析可以得到壩體各部分的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，為面板堆石壩的靜力分析提供依據(jù)。有限元數(shù)值計(jì)算的核心是確定壩體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，即本構(gòu)關(guān)系。壩體的本構(gòu)關(guān)系受諸多因素影響，如成壩過程、顆粒組成、含水量、天然應(yīng)力場、應(yīng)力歷史、密度、應(yīng)力路徑等，另外還與壩體的工作條件有關(guān)系。要正確、全面地反映壩體的本構(gòu)關(guān)系是十分困難的，只有通過對試驗(yàn)資料合理的模擬，建立出能夠簡單反映壩體主要特性的數(shù)學(xué)模型，才能獲得更有價值的數(shù)據(jù)。本文主要借助數(shù)值模型對渡口水電站工程面板堆石壩進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，以期得到有益的理論成果來指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

1 應(yīng)力應(yīng)變有限元分析方法

計(jì)算采用三維總應(yīng)力有限元分析方法。其中，堆石體靜力計(jì)算模型采用Duncan E-B模型或沈珠江院士提出的南水雙屈服面彈塑性模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。面板與墊層、趾板與地基、連接板與地基、防滲墻與地基之間采用無厚度接觸面單元模擬接觸特性。趾板與連接板、連接板與防滲墻、面板與防浪墻間的接縫采用薄層單元模擬填縫材料的影響，縫中的木板采用線彈性模型模擬，木板兩側(cè)與混凝土接觸用分離縫模擬。面板垂直縫采用分離縫模型模擬，面板周邊縫采用連接單元模擬。

1.1 計(jì)算參數(shù)

筑壩材料的應(yīng)力應(yīng)變分析計(jì)算參數(shù)由其大三軸試驗(yàn)結(jié)果確定，計(jì)算時各參數(shù)取平均值，詳見表1。薄層單元參數(shù)也參考其他工程并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值?；炷撩姘迮c墊層料之間的接觸面模型參數(shù)參照類似工程試驗(yàn)結(jié)果取值：K1為4 800，n為0.56，Rf為 0.74，δ取 36.6°。

1.2 計(jì)算模擬

巖土材料的應(yīng)力變形特性不僅與其所受的荷載有關(guān)，而且與所經(jīng)受的應(yīng)力路徑密切相關(guān)，因此，在進(jìn)行壩體應(yīng)力變形分析時必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)提供的施工程序（壩體填筑、混凝土澆筑、蓄水等過程）進(jìn)行模擬。

計(jì)算時，參照設(shè)計(jì)單位提供的混凝土面板堆石壩施工安排，模擬大壩的施工順序和水庫蓄水過程。具體計(jì)算模擬順序分別為：覆蓋層→防滲墻澆筑→趾板和高趾墻澆筑→壩體填筑至防浪墻底高程1 086.50 m→面板澆筑→連接板澆筑→防浪墻澆筑及壩體填筑至壩頂1 090.0 m→蓄水至正常蓄水位1 086.0 m。

三維有限元網(wǎng)格剖分時，切取橫剖面39個，其中沿面板分縫29個剖面?？臻g單元采用8節(jié)點(diǎn)六面體等單元，為適應(yīng)壩體邊界條件的變化，邊界部分退化為三棱體或四面體單元。單元編號根據(jù)壩體施工順序進(jìn)行。共劃分單元7 550個，結(jié)點(diǎn)9 377個。

計(jì)算時所取的基礎(chǔ)范圍為：上、下游方向自壩腳各向外延伸1倍壩高，向下深度取至基巖面下1 m。劃分網(wǎng)格時，防滲墻順河向剖分3排單元，面板剖分1排單元。防滲墻與河床沖積層間設(shè)置3 cm厚泥皮薄層單元，防滲墻底部設(shè)置15 cm厚的沉渣單元。

有限元計(jì)算時，邊界條件規(guī)定如下：軸向與順河向兩側(cè)邊界只有垂直變形，無水平位移；基底為固定邊界，無位移。

2 應(yīng)力應(yīng)變有限元分析結(jié)果

2.1 基本方案計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工程壩址區(qū)河床覆蓋層工程特性和前階段有限元研究成果，河床趾板附近基礎(chǔ)采取灌漿工程措施進(jìn)行加固處理。由于壩址區(qū)覆蓋層工程地質(zhì)條件以及灌漿施工技術(shù)等因素，砂礫卵石層灌漿加固效果有一定的不確定性，從偏安全的角度考慮，以注漿處理后的砂礫卵石層模量系數(shù)達(dá)到1 200為灌漿體基本參數(shù)（詳見表1），進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2 壩體應(yīng)力變形

選取河床最大橫剖面做為典型剖面進(jìn)行壩體應(yīng)力變形結(jié)果整理。

竣工期：該剖面最大沉降為34.3 cm，位于壩軸線1/2壩高附近。上游壩體水平位移指向上游，下游壩體水平位移指向下游，上游向水平位移最大值為10.8 cm，下游向水平位移最大值為7.9 cm。

蓄水期：最大沉降為37.4 cm，位于壩軸線1/2壩高附近。在庫水壓力作用下，上游向水平位移最大值減小為4.1 cm，下游向水平位移最大值增至9.8 cm。

竣工期與蓄水期壩內(nèi)大、小主應(yīng)力最大值分別為 1.62 MPa，0.59 MPa；1.74 MPa，0.73 MPa。

竣工期和蓄水期：壩體內(nèi)應(yīng)力水平較低，蓄水期由于水荷載作用，壩體上游部位應(yīng)力水平有所減小。

表1 靜力計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)語

本項(xiàng)目采用有限元方法對面板堆石壩的應(yīng)力變形特性進(jìn)行了分析計(jì)算。壩體和混凝土防滲結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形性狀，以及止水接縫的變形性狀較好，可以滿足大壩安全運(yùn)行的需要，綜合各項(xiàng)計(jì)算成果，可以得出如下結(jié)論與建議：

1）基本方案南水模型計(jì)算結(jié)果表明，壩體應(yīng)力與變形規(guī)律正常，量值在面板壩正常變形范圍內(nèi)，蓄水期壩體最大沉降37.4 cm，發(fā)生在河床最大剖面壩軸線1/2壩高位置，沉降率約為0.35%。壩內(nèi)應(yīng)力水平不高，不會發(fā)生塑性破壞。

2）Duncan E-B模型與南水模型計(jì)算得到的壩體變形、混凝土防滲結(jié)構(gòu)的應(yīng)力有較大差別，E-B模型計(jì)算結(jié)果要比南水模型高。E-B模型計(jì)算出的壩體最大沉降為46.3 cm，約為壩高的0.44%，變形在面板壩正常變形范圍內(nèi)。