王玉孝，沈 婷，李國(guó)英

(1. 西安理工大學(xué),陜西西安 710048； 2. 青海黃河上游水電公司工程建設(shè)分公司,青海西寧 810008； 3. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

我國(guó)面板堆石壩的建壩水平已達(dá)到200 m級(jí)，面板壩筑壩技術(shù)正在由200 m級(jí)向300 m級(jí)發(fā)展[1-4]。150 m級(jí)面板壩技術(shù)成熟，大壩安全可靠，壩體實(shí)測(cè)變形與理論計(jì)算基本吻合；200 m級(jí)高面板壩技術(shù)漸趨成熟，已建200 m級(jí)面板壩總體情況良好，雖然不同程度地出現(xiàn)了面板擠壓破壞、面板裂縫、壩體變形和滲漏量偏大等問題，但通過適當(dāng)工程措施后運(yùn)行良好；而250～300 m級(jí)面板壩，由于200 m級(jí)面板壩出現(xiàn)的一些問題以及理論研究相對(duì)滯后，工程界對(duì)其壩體安全性尚存一些質(zhì)疑[2-5]。

由于200 m級(jí)面板壩存在的最突出問題是面板的結(jié)構(gòu)性裂縫和擠壓破壞問題[3-4]，為了提高面板安全性，提出了在大壩上游下部設(shè)置高混凝土壩與面板堆石壩形成組合壩的研究思路，以期改善高面板壩面板應(yīng)力狀態(tài)不佳問題，為面板壩筑壩技術(shù)發(fā)展提供新思路[6]。

圖1 組合型面板堆石壩與常規(guī)面板壩Fig.1 Plinth types of combined and conventional rock-fill dams

1 組合型面板壩概況

如圖1所示，組合型面板壩是在大壩上游下部設(shè)置高混凝土壩，以連接壩基和面板；而常規(guī)面板壩則是通過設(shè)置厚度在2 m以內(nèi)的混凝土薄板，即趾板來連接壩基和面板。較之常規(guī)面板壩，組合型面板壩增大了混凝土、鋼筋工程量，但減小了壩體填筑工程量，降低了趾板岸坡高度，從而減少了底部岸坡趾板開挖量和邊坡支護(hù)工程量，縮短了面板和接縫長(zhǎng)度，減少了深水區(qū)面板面積，降低了面板檢修難度。目前，雖然在不利地形地質(zhì)條件時(shí)常規(guī)面板壩工程也會(huì)通過設(shè)置高趾墻來彌補(bǔ)地形地質(zhì)條件的缺陷，但河谷底部深水區(qū)內(nèi)設(shè)置的高趾墻高度相對(duì)較低，一般不超過40 m，例如新疆吉音面板壩、龍首二級(jí)(西流水)面板壩、冰島Karahnjukar面板壩均通過設(shè)置高趾墻修正了下切河槽段的面板體型[7-12]。而組合型面板壩著眼于設(shè)置更高混凝土壩與面板一起共同防滲，這種結(jié)構(gòu)型式在不規(guī)則地形、陡窄峽谷等不利條件下存在一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不過隨之也會(huì)產(chǎn)生一些其他問題，如高混凝土壩自身的應(yīng)力和穩(wěn)定問題、起始面板下堆石體厚度過大導(dǎo)致的面板周邊縫剪切變位過大問題等。為論證該結(jié)構(gòu)型式的可行性和適用性，需深入開展其應(yīng)力變形特性的研究。

本文依托某壩高為150 m的面板壩工程，采用三維非線性有限元方法，全面分析組合型面板壩的應(yīng)力變形特性及與常規(guī)面板壩應(yīng)力變形特性的差異。該工程河谷中下部呈對(duì)稱“V”字型，岸坡較陡，平均坡度為53°～58°，河谷上部較開闊，岸坡較緩，且左緩右陡，左岸平均坡度約10°，右岸平均坡度約26°。綜合考慮地形地質(zhì)條件、施工條件、建壩技術(shù)可行性和技術(shù)進(jìn)步要求，通過對(duì)混凝土壩壩高、壩頂寬度、上下游坡比等體型參數(shù)的比選，擋水建筑物推薦壩高60 m混凝土壩與面板堆石壩的組合壩方案[13]。大壩設(shè)計(jì)詳見圖2，堆石壩最大壩高150 m，壩頂寬度10 m，上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.86，下部鑲嵌混凝土壩最大壩高60 m，上游坡比1∶0.2，下游坡比1∶0.7，頂寬10 m，為避免周邊縫變位過大，趾板寬度設(shè)置為8 m，板后堆石留存2 m。

圖2 組合型面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)剖面(單位：m)Fig.2 Typical profile of combined rock-fill dams(unit： m)

2 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

混凝土壩和面板采用線彈性模型，堆石料采用南水雙屈服面彈塑性模型，面板周邊縫和垂直縫采用連接單元處理，面板與墊層、混凝土壩與過渡料之間設(shè)置Goodman單元，模擬接觸面特性。筑壩材料計(jì)算參數(shù)如表1所示?；炷翂魏兔姘逵?jì)算參數(shù)為：ρ=2.40 g/cm3，E=28 GPa，υ=0.167。Goodman 單元參數(shù)為：K=4 800，n=0.56，Rf=0.74，φ=36°。

表1 筑壩材料南水模型參數(shù)Tab.1 Parameters of Nanshui double-yield-surface model

圖3 組合型面板壩三維有限元網(wǎng)格Fig.3 3D FEM meshes of combined rock-fill dam

3 計(jì)算成果與分析

有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示?？紤]混凝土壩壩段與基巖的共同作用，基巖深度方向和上、下游方向延伸范圍為1.5倍混凝土壩壩高。基底為固定約束，四周邊界均為法向約束。

3.1 堆石壩變形

堆石壩最大剖面壩左0+174.5順河向水平位移和沉降分布分別見圖4～5?？⒐て谏嫌螇误w水平位移指向上游，最大值為5.4 cm；下游壩體則指向下游，最大值5.2 cm。蓄水后，在庫(kù)水壓力作用下壩體向下游變形，正常蓄水位時(shí)上游向最大水平位移減至2.3 cm，下游向最大水平位移增至6.0 cm。竣工期和蓄水期壩體最大沉降分別為40.8和43.8 cm，最大沉降發(fā)生在壩軸線1/2壩高處，量值約占最大壩高的0.3%。

圖4 堆石壩最大剖面壩體順河向位移(單位： cm)Fig.4 Horizontal displacement of largest profile of rock-fill dam (unit： cm)

圖5 堆石壩最大剖面壩體沉降(單位： cm)Fig.5 Dam body settlement of largest profile of rock-fill dam (unit： m)

組合型面板壩與常規(guī)面板壩壩體的變形極值見表2。相比常規(guī)面板壩，組合型面板壩壩體變形總體有所降低，蓄水期沉降率由0.31%降至0.29%，下降幅度約為6%?？梢娊M合型面板壩堆石壩體的變形性狀與常規(guī)面板壩差別不大。對(duì)于組合型面板壩，混凝土壩壩高是控制性參數(shù)，隨混凝土壩壩高增加，壩體變形降幅增大。不過當(dāng)混凝土壩壩高不超過面板壩壩高的40%時(shí)，組合型面板壩與常規(guī)面板壩應(yīng)力變形性狀差別不大[13]。

表2 堆石壩壩體變形極值Tab.2 Maximum deformation of rock-fill dam

3.2 面板應(yīng)力變形

面板蓄水期軸向變形和撓度分布見圖6。水壓力作用下面板發(fā)生撓曲變形，左、右兩岸面板均向河谷中央位移，指向左岸和右岸位移最大值均為0.84 cm，面板撓度指向壩內(nèi)，最大值為11.30 cm，位于河谷中央0.6h(h為壩高)處。

圖6 面板蓄水期軸向變形與撓度(單位： cm)Fig.6 Axial deformation and deflection of slab during full storage period (unit： cm)

面板蓄水期軸向和順坡向應(yīng)力見圖7。面板軸向以受壓為主，兩岸存在一定的受拉區(qū)，最大壓、拉應(yīng)力值分別為4.71和0.78 MPa。面板順坡向完全受壓，最大壓應(yīng)力值為6.38 MPa。

圖7 面板蓄水期軸向應(yīng)力與順坡向應(yīng)力(單位： MPa)Fig.7 Axial stress and longitudinal slope stress of slab during full storage period (unit： MPa)

組合型面板壩與常規(guī)面板壩面板的應(yīng)力變形極值見表3。相比常規(guī)面板壩，組合型面板壩面板變形有所減小，蓄水期面板撓曲率由0.13%降至0.08%，下降幅度達(dá)38%；面板板內(nèi)壓、拉應(yīng)力均有所降低，軸向壓應(yīng)力極值下降幅度為27%，順坡向壓應(yīng)力極值下降幅度為23%，軸向拉應(yīng)力極值下降幅度為32%，順坡向拉應(yīng)力則降為零。

綜上可見，組合型面板壩面板的應(yīng)力變形分布規(guī)律雖和常規(guī)面板壩接近，但面板的應(yīng)力狀態(tài)卻有明顯改善，無論是拉應(yīng)力，還是壓應(yīng)力數(shù)值都明顯比同等壩高常規(guī)壩小得多。

表3 面板應(yīng)力變形極值(蓄水期)Tab.3 Maximum values of stress and deformation of slab during full storage period

3.3 混凝土壩應(yīng)力變形

混凝土壩順河向位移和垂直向正應(yīng)力分布分別見圖8～9?；炷翂喂ぷ餍詰B(tài)受雙向控制，施工期受大壩的填筑荷載影響，向上游變形，最大值0.24 cm，運(yùn)行期受庫(kù)水壓力為主，向下游變形，最大值為0.33 cm。垂直向，施工期和蓄水期壩體完全受壓，最大垂直正應(yīng)力分別為1.46和2.31 MPa。施工期和蓄水期混凝土壩自身基本受壓，拉應(yīng)力區(qū)僅限很小范圍，施工期分布于兩岸壩頭下游面，蓄水期分布于兩岸壩頭上游面，且拉應(yīng)力數(shù)值較小，最大值低于0.3 MPa。該大體積混凝土結(jié)構(gòu)雖工作條件復(fù)雜，但應(yīng)力狀態(tài)良好，滿足要求。

除了應(yīng)力問題，穩(wěn)定也是混凝土壩需要關(guān)注的問題之一。合理考慮下游堆石壓力是穩(wěn)定分析的重點(diǎn)。本工程采用有限元計(jì)算出的堆石壓力而非規(guī)范要求的主動(dòng)土壓力對(duì)混凝土壩的穩(wěn)定進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示各工況下該混凝土壩的沿壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

圖8 混凝土壩順河向變形(單位： cm)Fig.8 Horizontal deformation of concrete dam (unit： cm)

圖9 混凝土壩垂直向正應(yīng)力(單位： MPa)Fig.9 Vertical normal stress of concrete dam (unit： MPa)

3.4 接縫變形

面板周邊縫的剪切變位基本指向河谷中央，最大值為5.2 mm，沉陷變位指向壩內(nèi)，最大值為14.1 mm，周邊縫均處于張開狀態(tài)，最大值為7.0 mm。最大剪切和張開均發(fā)生在河谷左岸陡傾段，最大沉陷發(fā)生在混凝土壩所在水平段。

面板垂直縫總體為河谷中央處于壓緊狀態(tài)，兩岸處于拉開狀態(tài)，最大張開值為3.9 mm，位于河谷左岸陡傾段與較緩段轉(zhuǎn)折處。

表4接縫變位極值(蓄水期)

Tab.4 Displacements of peripheral joints and vertical joints during full storage period

壩型周邊縫垂直縫剪切/mm沉陷/mm張開/mm張開/mm常規(guī)壩17.517.911.66.4組合壩5.214.17.03.9

組合型面板壩與常規(guī)面板壩周邊縫的三向變位極值見表4。相比常規(guī)面板壩，組合型面板壩周邊縫三向變位有不同程度降低，相比沉陷變位，剪切變位和張開變位降低明顯，沉陷、剪切和張開極值降幅分別為21%，70%和40%。本工程混凝土壩壩頂寬度采用趾板后向下游延伸2 m，計(jì)算結(jié)果顯示河床段周邊縫沉陷變位量值并不大，在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

組合型面板堆石壩的應(yīng)力變形性狀與常規(guī)面板堆石壩存在一定差異。與常規(guī)面板堆石壩相比，組合型面板堆石壩總體表現(xiàn)為壩體、面板的變形有所減小，面板壓、拉應(yīng)力有所降低，周邊縫剪切和張開位移有所減小。

本研究工程混凝土壩壩高60 m，壩體變形、面板應(yīng)力和接縫變形均在正常范圍內(nèi)，該組合型面板壩技術(shù)上成立。另外，由于壩址底部60 m高度范圍河谷極其狹窄，之上則較為開闊，因此這種地形條件使得組合型面板壩施工、工程量、投資等與常規(guī)面板壩差別不大，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮，該組合型面板壩可行。

組合型面板堆石壩，雖然底部設(shè)置混凝土壩，增大了混凝土工程量，但可減少底部狹窄河谷岸坡趾板開挖量，縮短面板和垂直縫長(zhǎng)度，有效改善面板的應(yīng)力狀態(tài)，可見該壩型存在一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是在不規(guī)則地形、狹窄峽谷等不利條件時(shí)，值得進(jìn)行深入研究，希望通過文中研究工程的建設(shè)，推動(dòng)面板壩建壩技術(shù)的發(fā)展和完善。

面板是面板堆石壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，是面板堆石壩成敗的關(guān)鍵所在。由混凝土壩與面板堆石壩組成的復(fù)合壩壩型為250～300 m級(jí)面板堆石壩的建設(shè)提供了一種新思路，通過在底部設(shè)置一定高度的混凝土防滲體，使得面板長(zhǎng)度與200 m級(jí)面板壩面板長(zhǎng)度相當(dāng)，從而提高250～300 m級(jí)面板堆石壩防滲面板的安全性。