混凝土面板壩竣工期壩體變形分析

陳彪

摘 要：混凝土面板堆石壩是當(dāng)代壩工建設(shè)的主流壩型，因其具備高效抗震性、高速施工性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠性等不可比擬的優(yōu)勢，現(xiàn)已成為我國非常有發(fā)展力的壩型并得到推廣，隨之而來的壩體變形及面板受力不均引起開裂等問題也出現(xiàn)，本文以某實(shí)際面板壩為工程背景，建立二維數(shù)值模型分析其標(biāo)準(zhǔn)斷面在竣工期間的應(yīng)力位移分布規(guī)律，對未來面板壩的建設(shè)提供有益理論。

關(guān)鍵詞：混凝土面板堆石壩;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;受力不均;應(yīng)力位移

Abstract：The concrete faced rockfill dam is the mainstream dam type for contemporary dam construction.Because of its incomparable advantages such as high-efficiency seismic resistance，high-speed construction，economic practicality，structural stability and reliability，it has become a very powerful dam in China.The model was popularized，and the problems such as dam deformation and cracks caused by uneven panel stresses also appeared.This paper uses a practical panel dam as the engineering background and establishes a two-dimensional numerical model to analyze the stress of the standard section during the completion period.The law of displacement distribution provides a useful theory for the future construction of faced dams.

Key words：concrete faced rockfill dam;structural stability;uneven force;stress displacement

1 竣工期面板壩應(yīng)力變形特性[3]

混凝土面板堆石壩竣工期間由于其自身重量較大，面板壩受其重力作用在垂直和水平方向都會(huì)出現(xiàn)位移。大壩在垂直方向位移分布有一定規(guī)律最大值出現(xiàn)在大壩1/2絕對高度位置。對于堆石壩內(nèi)部各分區(qū)的材料變形能力大概相同的情況，大壩在垂直方向的位移等值線基本呈對稱分布。反之，對于壩體內(nèi)部各區(qū)材料如果性能相差太大，在不同材料的分區(qū)界限處位移等值線出現(xiàn)斷裂不連續(xù)分布。一般情況下，壩體上游壩坡部分的底層會(huì)向外凸起一定的位移，面板壩坡面在垂直方向位移總是呈現(xiàn)出大于水平方向位移規(guī)律。大壩在壩軸方向由于受到岸坡水平土壓力的影響，大壩在壩軸方向也會(huì)出現(xiàn)一定位移。壩體沿軸線的位移與大壩岸坡的破角成正相關(guān)，岸坡坡角增大，這種位移情況愈明顯反之則位移減小。由力學(xué)分析可得垂直方向上壩體的主要應(yīng)力值基本等同于堆石體自重產(chǎn)生應(yīng)力值，隨著現(xiàn)在工程需要標(biāo)準(zhǔn)的提高，高面板壩的絕對高度有所增加，壩體自身所受主應(yīng)力水平也在加大，但是大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的比值視作常量基本不變。

2 面板壩堆石體力學(xué)特性

就堆石壩料而論，目前常見的幾種巖石如巖漿，火成，沉積，變質(zhì)巖等巖石類型都在工程中有所使用。其中沉積巖類型中的灰?guī)r和石巖以及火成巖類型中的花崗，安山，凝灰?guī)r等作為填料面板壩工程應(yīng)用最多。隨著當(dāng)代面板壩功能需求的多元化以及施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，使用砂礫巖和軟巖作為填料在壩工建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛推廣如黑泉和公伯峽等。堆石壩料選定巖石類型依據(jù)的指標(biāo)主要有密度，容重，抗壓的強(qiáng)度指標(biāo)以及軟化性的系數(shù)和抗拉的強(qiáng)度性指標(biāo)，孔隙率一定程度上也要考慮[4]。

面板堆石壩在受力情況下壩體會(huì)產(chǎn)生變形，變形的形態(tài)由三個(gè)階段構(gòu)成。堆石壩的填筑期發(fā)生第一階段的變形，堆石壩壩體結(jié)構(gòu)的大部分變形都發(fā)生在填筑期;第二階段的變形出現(xiàn)在面板壩的正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段，由于面板壩會(huì)存在水流滲入的情況導(dǎo)致壩體內(nèi)部堆石料的剛性減小進(jìn)而出現(xiàn)壩體下沉的現(xiàn)象，堆石料巖石的類型決定了堆石的下沉濕陷變形程度，軟巖作為堆石壩料其產(chǎn)生的濕陷變形程度最大。壩體最后階段的變形發(fā)生是壩體運(yùn)轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的壩料流變。壩料流變產(chǎn)生的瞬時(shí)變形程度在三個(gè)階段中最小，但由于流變發(fā)生在壩體進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)后的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期持續(xù)時(shí)間比較長，故堆石壩料整個(gè)壩體運(yùn)轉(zhuǎn)期產(chǎn)生流變的變形增量也很大。堆石壩料在大壩建成后需要經(jīng)過機(jī)械碾壓，碾壓后的堆石料具備密度較大和孔隙比較小的特點(diǎn)且再被壓縮的可能性基本沒有。高面板壩由于自重較大導(dǎo)致內(nèi)部堆石料應(yīng)力水平較大，故后期壩體內(nèi)部堆石料顆粒出現(xiàn)破碎和顆粒再分配調(diào)整會(huì)導(dǎo)致壩體出現(xiàn)蠕變的情形。

3 面板壩本構(gòu)模型選取

在面板壩應(yīng)力變形全面研究中，面板和堆石體的力學(xué)變形規(guī)律為其探究的關(guān)鍵，確定合適本構(gòu)模型是數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確的前提。堆石料由于力學(xué)性能復(fù)雜，主要表現(xiàn)有壓縮、非線、自身剪縮及各向異等性能。目前沒有一種完美的本構(gòu)模型可以表現(xiàn)堆石料的復(fù)雜特性，國內(nèi)外研究得出堆石體價(jià)值本構(gòu)理論分兩類：彈塑性及非線性。

3.1 堆石體非線性本構(gòu)模型Duncan-E-B

在面板堆石壩料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中，由于其呈現(xiàn)出絕對的非線性特征故本構(gòu)模型的選取要在此基礎(chǔ)之上。另外，面板所受應(yīng)力與堆石壩料自身剪縮效應(yīng)絕對相關(guān)。所以從堆石壩料剪縮性質(zhì)的綜合考慮角度分析，堆石壩料本構(gòu)模型的選取以彈塑性模型為宜。目前，工程上普遍使用1970年鄧肯E-B[1]雙曲線模型并稍作必要修正進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，這種情況下計(jì)算的結(jié)果合理基本符合面板堆石壩真實(shí)變形情況。剪切彈模Eτ表達(dá)式如下：

3.2 面板材料本構(gòu)模型

面板的主要材料是混凝土，混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足線彈性規(guī)律[2]。故選取線彈性模型作為面板、趾板、基巖的本構(gòu)形式，用胡克定律的形式表示如下：

4 數(shù)值模型計(jì)算

某面板壩位于西北某地，該水電站具備調(diào)水、發(fā)電、防洪三大主要功能，遠(yuǎn)期來看水電站的副功能還可以應(yīng)用到養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)。利用Adina建立二維模型，分析標(biāo)準(zhǔn)斷面，0+374.43斷面，0+105.01斷面在竣工期間應(yīng)力位移規(guī)律。

4.1 壩體各分區(qū)堆石體的鄧肯-張模型參數(shù)

壩體從上游到下游材料的次序分別是壩體的混凝土面板，壩體墊層，壩體材料過渡區(qū)，壩體的主要堆石區(qū)域，砂礫石的主堆區(qū)域以及下游的堆石區(qū)域。依據(jù)某面板堆石壩混凝土材料參數(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，壩體內(nèi)部相關(guān)材料參數(shù)可以得到如表1：

4.2 面板的二維模型

4.3 計(jì)算分析結(jié)果

5 結(jié)論

壩體竣工期間由于自重作用比較顯著，導(dǎo)致其在垂直方向會(huì)發(fā)生沉降，由分析可知其在垂直方向上最大沉降的數(shù)值為64.97cm，其最大沉降比值為0.57%。計(jì)算得出最大沉降量出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)斷面約1/2壩體高度位置，如圖3所示。壩體內(nèi)部堆石在垂直方向由于沉降荷載作用較大，使壩體上下游兩側(cè)在水平方向上受到擠壓作用力出現(xiàn)位移。分析可得壩體順河向位移在向上游的極值為16.84cm，該最大值發(fā)生在標(biāo)準(zhǔn)斷面約1/4壩體高度位置。標(biāo)準(zhǔn)斷面由于其截面的面積較其他的斷面大，堆石體在這個(gè)截面上較其他截面上的面積大的多且為最大的堆石截面。堆石體在垂直方向發(fā)生沉降時(shí)，其在順河向的沿線方向在上下游都會(huì)產(chǎn)生塌落而出現(xiàn)明顯的順河向位移情況，因此最大順河向位移數(shù)值出現(xiàn)在該位置。同理，由表2可知，該大壩的順河向位移在向下游的極值為14.49cm，該最大值同樣發(fā)生在標(biāo)準(zhǔn)斷面約1/4壩體高度位置。原因也是由于堆石體在標(biāo)準(zhǔn)斷面上較其他截面上的面積大的多為最大的堆石截面，因此出現(xiàn)明顯的水平方向位移。沿壩軸向左右兩岸壩體分別向河床中部產(chǎn)生位移，受河谷形狀影響，靠近兩岸逐漸減小，最大值均出現(xiàn)在壩體中部兩側(cè)約1/2壩高處，較對稱。

參考文獻(xiàn)：

[1]Duncan J，M.，Chang，C.y..Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils，ASCE，SMFDM，1970，vol.96，No.SM5.

[2]朱晟，魏匡民，林道通.筑壩土石料的統(tǒng)一廣義塑性模型[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（8）：1394-1399.

[3]孔憲京，張宇，鄒德高.高面板堆石壩面板應(yīng)力分布特性及其規(guī)律[J].水利學(xué)報(bào)，2013，44（6）：631-639.

[4]楊杰，李國英，沈婷.復(fù)雜地形條件下高面板堆石壩應(yīng)力變形特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（4）.