混凝土面板堆石壩靜力分析

蘇 丹

（槐蔭黃河河務局，山東 濟南 250118）

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

1 應力應變有限元分析方法

計算采用三維總應力有限元分析方法。其中，堆石體靜力計算模型采用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，混凝土結構采用線彈性模型。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 計算參數

筑壩材料的應力應變分析計算參數由其大三軸試驗結果確定，計算時各參數取平均值，詳見表1。薄層單元參數也參考其他工程并結合工程經驗進行取值。混凝土面板與墊層料之間的接觸面模型參數參照類似工程試驗結果取值：K1為4 800，n為0.56，Rf為 0.74，δ取 36.6°。

1.2 計算模擬

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

計算時，參照設計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。

三維有限元網格剖分時，切取橫剖面39個，其中沿面板分縫29個剖面。空間單元采用8節點六面體等單元，為適應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。單元編號根據壩體施工順序進行。共劃分單元7 550個，結點9 377個。

計算時所取的基礎范圍為：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置3 cm厚泥皮薄層單元，防滲墻底部設置15 cm厚的沉渣單元。

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

2 應力應變有限元分析結果

2.1 基本方案計算結果

根據工程壩址區河床覆蓋層工程特性和前階段有限元研究成果，河床趾板附近基礎采取灌漿工程措施進行加固處理。由于壩址區覆蓋層工程地質條件以及灌漿施工技術等因素，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達到1 200為灌漿體基本參數（詳見表1），進行計算分析。

2.2 壩體應力變形

選取河床最大橫剖面做為典型剖面進行壩體應力變形結果整理。

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大、小主應力最大值分別為 1.62 MPa，0.59 MPa；1.74 MPa，0.73 MPa。

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

表1 靜力計算參數

3 結語

本項目采用有限元方法對面板堆石壩的應力變形特性進行了分析計算。壩體和混凝土防滲結構的應力變形性狀，以及止水接縫的變形性狀較好，可以滿足大壩安全運行的需要，綜合各項計算成果，可以得出如下結論與建議：

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

2）Duncan E-B模型與南水模型計算得到的壩體變形、混凝土防滲結構的應力有較大差別，E-B模型計算結果要比南水模型高。E-B模型計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。