陳 飄，鄧成發(fā)

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江杭州，310012；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江杭州，310012）

覆蓋層上面板堆石壩筑壩材料反演分析與安全性研究

陳 飄1，鄧成發(fā)2

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江杭州，310012；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江杭州，310012）

以雙溪口面板堆石壩實測沉降監(jiān)測資料為基礎，通過基于免疫遺傳算法的位移反分析法對堆石料E-B模型參數(shù)進行反演分析，獲取了符合工程實際的模型參數(shù)。根據(jù)反饋分析得到的計算結果，采用鄧肯-張彈性非線性E-B模型，分析研究了大壩竣工期及蓄水期的變形及應力分布狀態(tài)，計算結果表明，大壩蓄水期位移增量較小，面板應力正常，大壩運行安全。

免疫遺傳算法；本構模型；反演分析；面板堆石壩

1 工程概況

雙溪口水庫位于浙江省余姚市大隱鎮(zhèn)，大壩為覆蓋層上直接修建的混凝土面板堆石壩，最大壩高52.1 m，壩頂長426.0 m，大壩上、下游坡坡比分別為1∶1.4、1∶1.3，壩體采用凝灰?guī)r料分區(qū)填筑，壩體及趾板均直接建造于河床砂礫石覆蓋層上，壩基防滲采用垂直混凝土防滲墻。河床覆蓋層最深處約15.4 m，為砂礫卵石層，屬強-極強透水層，水庫大壩典型斷面圖見圖1所示。

該工程于2005年12月開工，2006年1月初開始澆筑防滲墻，2008年初大壩開始填筑，2008年底大壩填筑完成，累計填筑石方約120萬m3。水庫于2009年5月30日下閘蓄水。

由于施工期大壩填筑速度較快，至2011年12月，大壩累計最大沉降量為46.3 cm，約為壩高的0.94%，與同類工程相比偏大[1-4]。為研究沉降對大壩安全的影響，有必要對大壩竣工期及蓄水期的大壩位移及應力進行有限元分析，評價大壩的安全性。由于該工程未進行大型三軸試驗，同時通過類比法確定的筑壩材料本構參數(shù)可能產(chǎn)生較大計算誤差[5，6]，故基于實測沉降監(jiān)測資料，通過免疫遺傳算法反演堆石料的鄧肯-張E-B模型參數(shù)，再通過有限元分析大壩施工期及蓄水期的位移及應力狀態(tài)，對大壩的運行安全性進行評價。

2 模型參數(shù)反演分析

將免疫遺傳算法（Immune Genetic Algorithm，IGA）運用到土石壩的反演分析中，能較好地解決反饋分析中多目標、多參數(shù)的全局優(yōu)化問題，針對非線性、非凸性的復雜優(yōu)化問題，作用更為顯著[7]。反

演目標函數(shù)應該包含壩體原型觀測數(shù)值和計算值的各種信息，并避免各種變量量綱的影響，同時考慮到設備起測誤差，反演分析構筑目標函數(shù)時應采用分段形式，建立目標函數(shù)如下：

圖1 大壩典型斷面圖Fig.1 Typical cross section of the Shuangxikou CFRD

式中：m為反演分析時段總數(shù)；n為測點總數(shù)；ωij為測點權重；為計算的變形、應變或應力值；為相應的實測值。

抗原和抗體的適應度值20代無變化或世代數(shù)超過150代，停止迭代，輸出最優(yōu)抗體。

堆石體、覆蓋層砂礫料等壩料采用鄧肯E-B模型時，材料基本特性參數(shù)（γd、φ0、Δφ）變異性不大[8，9]，反演計算時，認為基本特性參數(shù)可靠，只反演參數(shù)K、n、Rf、Kb、m值，即：

3 鄧肯-張E-B模型參數(shù)反演分析

為監(jiān)測大壩的內(nèi)部變形，在大壩的0+120斷面、0+192斷面和0+260斷面共布置了21套水管式沉降儀，其中0+192斷面為主要監(jiān)測斷面，該斷面河床砂礫卵石層最厚。選擇0+192 m斷面竣工期沉降監(jiān)測資料為反演值，見表1所示。大壩填筑分期圖見圖2，共剖分單元總數(shù)為472個，其中面板與墊層間設置接觸面單位15個，節(jié)點總數(shù)為507個。

采用IGA反演方法，分別對墊層料、過渡料、覆蓋層砂礫石料、主堆石料及次堆石料參數(shù)進行反演分析，對各參數(shù)逐代循環(huán)尋優(yōu)，并在代代之間保留遺傳優(yōu)秀個體，直至反演參數(shù)趨于穩(wěn)定即得到所需的反演參數(shù)。最終反演所得參數(shù)見表2。

表1 監(jiān)測點竣工期沉降量Table 1 Settlement value at the monitoring points as completion

圖2 大壩填筑分期圖Fig.2 Filling stages of the dam

表2 IGA反演分析獲取的筑壩材料E－B模型參數(shù)Table 2 Parameters of the material in E-B model by IGA

4 大壩應力變形分析

利用反演分析得到的參數(shù)進行壩體有限元分析，計算結果見表3所示。大壩竣工期及蓄水期水平位移、沉降及應力水平等值線圖見圖3～8。面板撓度分布圖見圖9、圖10所示。從這些表和圖可以看出：

（1）竣工時大壩最大沉降位移為35.14 cm，約為最大壩高的0.67%，出現(xiàn)在約1/3壩高處；蓄水后大壩水平位移增加了2.83 cm，為37.97 cm，受水壓力的影響，沉降中心稍向上游移動。

（2）受堆石體自重影響，壩體水平位移大致以壩軸線為界，分別向上、下游位移，向上游位移最大為6.96 cm，向下游最大為7.03 cm，均位于壩坡中下部。蓄水后，由于水荷載的作用，大壩整體向下游側移動，向下游最大位移為14.44 cm，發(fā)生在壩體上游側面板部位。

（3）竣工期壩體的應力水平等值線基本平行于壩坡，個別單元最大應力水平為0.6，主要發(fā)生在覆蓋層內(nèi)，不影響壩體的整體穩(wěn)定性。蓄水期，隨著水位的升高，應力水平發(fā)生了重分布，應力水平最大值0.91，主要發(fā)生在上游覆蓋層內(nèi)，雖然蓄水導致應力水平增大，但壩體各區(qū)依然是穩(wěn)定的，未出現(xiàn)應力水平接近于1.0的破壞區(qū)域。

（4）竣工時，面板撓度僅由自重引起，其量值較小，最大撓度僅為0.52 cm，出現(xiàn)在面板中上部。蓄水后，面板撓度指向壩內(nèi)，最大值為17.13 cm，出現(xiàn)在高程31.5 m附近，面板變形分布規(guī)律正常。

（5）竣工期，面板應力主要由自重引起，其順坡向應力較小，最大僅為0.03 MPa。蓄水期，在水壓力作用下，面板絕大部分區(qū)域表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。其中順坡向壓應力最大值為6.97 MPa。

表3 有限元計算成果表Table 3 The results of finite element calculation

圖3 竣工期水平位移等值線圖（單位：cm）Fig.3Isolinesofhorizontaldisplacementascompletion(unit:cm)

圖4 蓄水期水平位移等值線圖（單位：cm）Fig.4 Isolines of horizontal displacement in storage period (unit:cm)

圖5 竣工期沉降位移等值線圖（單位：cm）Fig.5 Isolines of settlement as completion(unit:cm)

圖6 蓄水期垂直位移等值線圖（單位：cm）Fig.6Isolinesofverticaldisplacementinstorageperiod(unit:cm)

圖7 竣工期應力水平等值線圖Fig.7 Isolines of stress as completion

圖8 蓄水期應力水平等值線圖Fig.8 Isolines of stress in storage period

圖9 竣工期面板撓度分布圖Fig.9 Distribution of slab deflection as completion

圖10 蓄水期面板撓度分布圖Fig.10 Distribution of slab deflection in storage period

5 結語

（1）基于免疫遺傳算法的位移反分析法能較好地解決反饋分析中多目標、多參數(shù)的全局優(yōu)化問題，計算結果表明其收斂速度快、精度高，是一種較好的反演優(yōu)化算法。

（2）蓄水期最大水平位移約為竣工時的2倍，最大豎向位移相比于竣工時增加約8%。隨著水位的升高，應力水平發(fā)生了重分布，應力水平最大值0.91，未出現(xiàn)應力水平接近于1.0的破壞區(qū)域。

（3）蓄水后，面板最大撓度為17.13 cm，相比于竣工期增加明顯。面板順坡向主要表現(xiàn)為壓應力，蓄水后最大壓應力6.97 MPa，小于混凝土允許抗壓強度。 ■

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Based on measured settlement data of Shuangxikou CFRD,back analysis on parameters of the E-B model was carried out by means of Immune Genetic Algorithm and the model parameters were obtained in accordance with the engineering practice.According to the calculated results by the back analysis,the deformation and stress distribution of the dam in completion and storage period was studied by the Duncan-Chang elastic nonlinear E-B model.The results showed that,in the storage period,dam displacement increment was less,panel stress was normal,and dam was operating safely.

IGA;constitutive model;back analysis;CFRD

TV698.1 文獻標志碼：B

1671-1092（2014）05-0018-04

2014-09-14

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201201043）；浙江省水利廳科技計劃項目（RC1327）

陳 飄（1975-），男，碩士研究生，高級工程師，主要從事水利水電工程質(zhì)量、安全監(jiān)督，招投標監(jiān)管工作。

Title:Back analysis on dam construction materials of CFRD built on riverbed alluvium//by CHEN Piao and DENG Cheng-fa//Supervision and Management Center for Quality and Safety of Water Conservan?cy and Hydropower Engineering