王妮妮

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局寶雞總站陜西寶雞721001）

覆蓋層對察汗烏蘇面板堆石壩應力變形影響數(shù)值分析

王妮妮

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局寶雞總站陜西寶雞721001）

本文針對察汗烏蘇面板堆石壩工程，采用有限元方法，分析了建于覆蓋層上面板堆石壩的應力變形特性，探討了覆蓋層對面板堆石壩應力變形的影響以及覆蓋層上修建面板堆石壩的可行性。本文研究可為相似工程的建設提供參考。

面板堆石壩；覆蓋層；應力變形；數(shù)值分析

1 引言

隨著水利工程的發(fā)展，眾多地理條件優(yōu)越的壩址已經(jīng)開發(fā)完成。目前大壩建設中面臨的壩基條件越來越復雜，其中覆蓋層就是一種典型的地質條件[1,2]。目前適合建于覆蓋層上的壩型主要就是土石壩，而其中面板堆石壩由于具有眾多優(yōu)點，成為建于覆蓋層上最主要的壩型。建于深厚覆蓋層上的面板堆石壩往往直接將趾板建在覆蓋層上，由于覆蓋層的力學特點，在壩體填筑過程中將會產(chǎn)生較大的壓縮變形，因此覆蓋層較大的壓縮變形必將進一步對建于其上的面板壩產(chǎn)生重要影響[3,4]。本文結合采用數(shù)值計算的方法對覆蓋層對建于其上的面板堆石壩的應力變形特性的影響進行分析。

2 工程概況

察汗烏蘇面板堆石壩建于覆蓋層上的混凝土面板堆石壩壩頂長度為348.20m，壩頂寬度為10.0m，最大壩高111m，上游坡1:1.4，下游局部坡度1:1.35和1:1.4，下游綜合坡比1:1.55，壩頂設有高度為5.2m的“L”型防浪墻與面板相接，壩頂高程805.0m。壩體從上游到下游依次為面板、上游鋪蓋及蓋重區(qū)、混凝土面板、混凝土趾板、混凝土防滲墻、混凝土連接板、墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)及下游次堆石區(qū)。壩體填筑總量約377萬m3。

表1 鄧肯張模型計算參數(shù)

表2 應力變形對比統(tǒng)計表

圖1 二維計算模型

圖2 運行期沉降分布（單位：m）

壩基附近平水期河水位高程702m時，水面寬約40m，水深1m～3m，當正常蓄水位800m時，谷寬約329m。河床覆蓋層厚度44m～48m，其中表部水庫淤積層厚約2m～4m，上部含碎石塊石砂卵礫石層厚6m～20m，中部砂卵礫石層厚12m～15m，是河床覆蓋層的主體層；底部含塊碎石的砂卵礫石層厚5m～10m。

3 數(shù)值計算模型

3.1 本構模型和計算工具

為了分析建于覆蓋層上察汗烏蘇面板堆石壩的應力變形特性，分析覆蓋層地基對大壩的影響，本文采用有限元方法進行數(shù)值計算。對于面板堆石壩本構模型的選取，目前工程界廣泛采用鄧肯張E-B模型進行面板堆石壩應力變形特性的數(shù)值模擬。根據(jù)多個實際工程的計算和實測資料的對比分析，E-B模型可以獲得較為準確的數(shù)值計算結果，目前該模型已經(jīng)積累了豐富的實際運用經(jīng)驗。本文將采用E-B模型模擬察汗烏蘇面板堆石壩壩體料和地基覆蓋層材料的應力變形特性。混凝土面板、趾板和防滲墻基本上均在線彈性階段工作，因此本文采用線彈性模型模擬面板堆石壩中的混凝土結構即面板、趾板和防滲墻等。防滲結構和壩體之間存在顯著的接觸行為，文章采用接觸摩擦算法進行模擬。為了獲得大壩的應力變形特性對堆石料進行了大型三軸試驗獲得相關的力學參數(shù)，因此本文模型參數(shù)根據(jù)試驗結果和類比其它相似工程參數(shù)選取。本文采用ADINA軟件來實現(xiàn)深厚覆蓋層上面板堆石壩應力變形的數(shù)值計算。

3.2 計算模型和參數(shù)

由于察汗烏蘇面板堆石壩河谷地形相對較為寬敞，選取大壩最大斷面進行二維數(shù)值分析，進而研究大壩的應力變形特性。取該壩的典型斷面進行數(shù)值分析，堆石料、墊層料、過濾層以及覆蓋層材料采用鄧肯張E-B模型模擬，各防滲結構采用線彈性模型進行模擬。詳細模擬面板和墊層以及防滲墻和覆蓋層之間的接觸特性。鄧肯張模型的參數(shù)取值根據(jù)相關試驗結合相似工程確定，參數(shù)如表1所示?；炷撩姘?、趾板彈性模量E=28GPa，泊松比ν=0.167；混凝土防滲墻彈性模量E=26 GPa，泊松比ν=0.167；混凝土密度均取為2.45g/cm3。

計算模型范圍向下取至基巖面，上下游分別向上下游方向取1倍的壩高。計算模型底部施加固定約束，上下游兩側施加相應的法向約束。采用四節(jié)點單元剖分網(wǎng)格，計算真實模擬大壩的施工和蓄水過程，實際模擬大壩的每層填筑厚度為5m。大壩的有限元計算模型如圖1所示。

4 計算結果分析

4.1 大壩變形結果分析

察汗烏蘇面板壩蓄水期覆蓋層上大壩沉降分布云圖如圖2所示。由變形結果可知，采用該數(shù)值模型計算所得大壩整體應力變形和防滲系統(tǒng)相對變形的分布整體比較合理，基本符合實際大壩和防滲結構所表現(xiàn)出的應力變形性狀。由于覆蓋層的存在，大壩的最大沉降和水平位移均發(fā)生在靠近大壩的底部部位，計算所得大壩的最大沉降大約為0.83m左右，發(fā)生在大壩底部靠近覆蓋層的部位，小于1%的大壩高度，即小于察汗烏蘇大壩沉降變形允許值。施工期大壩向上游的最大位移為0.26m，向下游最大位移為0.25m，水平位移的最大位置均發(fā)生在靠近覆蓋層的位置。蓄水期壩體總體向下游移動，壩體上游側只產(chǎn)生0.10m的向上游的水平位移，而大壩下游側產(chǎn)生0.34m的向下游的水平位移，在水壓力作用下，大壩的水平位移增量較為明顯。計算得察汗烏蘇大壩水平位移較小，基本可以接受。本文也對大壩建于基巖上時大壩的應力變形進行了計算，計算表明，建于基巖上的大壩最大沉降發(fā)生在壩體一半壩高處左右，最大值只有0.65m，同時壩體也分別產(chǎn)生向上游和向下游的水平位移，但是最大水平位移值均較小，明顯小于建于覆蓋層上的面板堆石壩，其中施工期向上游側和向下游側的最大水平位移分別只有0.12m和0.14m，相對建于覆蓋層上的大壩分別減小了0.13m和0.11m，由上述分析可知覆蓋層對建于其上的面板堆石壩的變形會產(chǎn)生的影響顯著，其對大壩變形的影響主要表現(xiàn)在兩個方面，第一大壩的變形趨勢基本相同，但是大壩最大變形的位置發(fā)生變化，在覆蓋層作用下大壩的沉降變形具有總體向下移動的趨勢，同時水平位移具有向下和上下游移動的趨勢。第二覆蓋層的作用使壩體的變形增加，這主要是由于覆蓋層層產(chǎn)生較大壓縮變形所引起的。雖然覆蓋層對大壩變形具有上述影響，但是對于建于覆蓋層上的大壩其變形仍然在合理范圍之內，說明建于覆蓋層上的察汗烏蘇面板堆石壩是安全的可靠的，大壩表現(xiàn)良好。4.2大壩應力結果分析

對建于覆蓋層上和基巖上的面板堆石施工期應力變形統(tǒng)計結果如表2所示。

由計算結果可知，察汗烏蘇大最大和最小主應力均發(fā)生生在覆蓋層底部，這主要是因為，覆蓋層在上部壩體填筑時受到進一步的壓縮所導致，由結果可知，覆蓋層上面板堆石壩最大主應力為3.0MPa，而基巖上大壩只有2.5MPa，說明覆蓋層對大壩應力的分布也會產(chǎn)生較大的影響，它會引起壩基大主應力值增加，另外計算所得覆蓋層上大壩小主應力最大值為1.5MPa分布在覆蓋層的底部，而基巖上面板堆石壩的最小主應力最大值為1.2MPa，分布在壩體底部，說明覆蓋層對大壩的應力分布和具體應力值的大小均產(chǎn)生了一定影響。計算所得大壩最小主應力的分布具有與大主應力分布基本相同的規(guī)律。雖然大壩產(chǎn)生較大的應力，但是應力水平較低均小于1，表明察汗烏蘇大壩應力狀態(tài)安全穩(wěn)定。

對覆蓋層上各防滲結構的應力變形特性也進行了分析。計算所得面板最大拉壓應力分別分布在面板的下游側底部兩側部位，最大拉應力值大約為1.62MPa，察汗烏蘇大壩面板尚未產(chǎn)生貫穿性裂縫，同時，在覆蓋層和壩體較大變形的影響下，面板最大撓度發(fā)生位置呈現(xiàn)下移的趨勢，最大值為12cm。另外，壩基趾板和連接板以及防滲墻均主要承受壓應力，只在上述結構的兩側部位由于受到較強的約束作用而承受一定的拉應力，但是均不會破壞現(xiàn)有的防滲結構。各防滲結構也產(chǎn)生總體向下變形的趨勢，說明覆蓋層對其上壩體和防滲結構均有較大的影響，但是大壩的防滲結構表現(xiàn)良好。

5 結論

本文結合察汗烏蘇面板堆石壩工程對建于覆蓋層上的面板堆石壩的應力變形特性進行分析。通過采用有限元方法并且對比分析覆蓋層上和基巖上面板堆石壩應力變形特性的異同，分析覆蓋層對建于其上面板堆石壩應力變形的影響。計算結果表明，察汗烏蘇面板堆石壩表現(xiàn)良好，覆蓋層對建于其上的面板堆石壩和防滲系統(tǒng)的應力變形特性均會產(chǎn)生較大的影響，使壩體的應力和變形值均增大，同時也使防滲結構產(chǎn)生較大變形，但是數(shù)值結果表明，建于覆蓋層上的面板堆石壩仍然可以正常運行，覆蓋層上是可以修建面板堆石壩的。

覆蓋層對其上面板堆石壩應力的影響類似于對大壩變形的影響規(guī)律。同時，計算結果與實際經(jīng)驗數(shù)據(jù)對比表明，雖然覆蓋層上面板堆石壩應力的分布相對于基巖上面板堆石壩有所變化，但是大壩的最大應力值仍然是在合理的范圍之內，說明在實際工程中，對建于覆蓋層上的面板堆石壩，只要采用合理的控制壩體變形各應力的措施，是可以成功地修建面板堆石壩的。陜西水利

[1]鄧銘江.嚴寒、高震、深覆蓋層混凝土面板壩關鍵技術研究綜述[J].巖土工程學報，2012，34（6）:985-996.

[2]酈能惠，楊澤艷.中國混凝土面板堆石壩的技術進步[J].巖土工程學報，2012，34（8）: 1361-1368.

[3]王啟國.金沙江虎跳峽河段河床深厚覆蓋層成因及工程意義[J].巖石力學與工程學報，2009，28（7）:1455-1466.

[4]酈能惠，王君利，米占寬等.高混凝土面板堆石壩變形安全內涵及其工程運用[J].巖土工程學報，2012，34（2）:193-202.

（責任編輯：暢妮）

TV 31

A