澗峪水庫混凝土面板堆石壩應力變形分析

張 婉 閔大偉 張 帆

(1.渭南市水務局 陜西 渭南 714000；2.渭南市澗峪水庫工程建設管理局 陜西 渭南 714000；3.陜西省水環境工程勘測設計研究院 陜西 西安 710018）

1 前言

渭南市澗峪水庫大壩工程采用當地材料混凝土面板堆石壩，壩頂高程791.0m，最大壩高81.0m，水庫正常蓄水位786.5m，總庫容1284萬m3，壩址區地震烈度為8度。在水庫設計階段，澗峪水庫工程建設管理局委托南京水利科學研究院對大壩進行靜、動應力變形分析，為水庫的建設和運行提供科學的依據。本文作者有幸參與了這項工作，下面簡要介紹本次研究的方法、內容和結論，希望與各位同行探討交流。

2 靜、動應力變形計算方法和計算參數

（1）靜力計算模型

堆石料的本構模型采用了“南京水利科學研究院”雙屈服面彈塑性模型。混凝土面板計算模型、混凝土結構采用線彈性模型，其應力應變關系符合廣義虎克定律。

（2）動力計算模型

在三維情況下，用地震動力問題的平衡方程式計算。動力計算采用等價粘彈性模型進行，其原理就是把循環荷載作用下應力應變曲線實際滯回圈用傾角和面積相等的橢圓代替，并由此確定粘彈性體的兩個基本變量剪切模量。

3 靜力有限元計算結果

靜力有限元分析采用“南水”雙屈服面模型計算結果，重點研究蓄水期面板的應力變形以及面板周邊縫和垂直縫的位移，同時選擇三個典型剖面0+042、0+105和0+161研究壩體的應力變形。

（1）壩體應力變形結果

三個典型剖面內沉降、側向水平位移和大、小主應力計算特征結果如表1。

表1 典型剖面計算結果最大值

壩體的最大應力變形發生在壩體最大剖面處。蓄水期壩體上游壩坡附近的沉降和大、小主應力都比竣工期有明顯的增加，而壩體下游部位沉降和主應力增加則相對較小；蓄水期由于水荷載作用，壩體下游水平位移增加較大。蓄水期壩體上游部位的應力水平比竣工期有所下降，而下游部位變化很小。

（2）混凝土面板的應力變形

面板最大撓度為6.75cm，發生在高程747.59m、樁號0+119處。面板軸向位移表現為由兩岸向河谷中央變形，左側面板變形指向右岸，最大值為3.4mm，發生在高程784.3m、樁號0+028處；右側面板變形指向左岸，最大值為2.6mm，發生在高程787.34m、樁號0+168處。

蓄水期面板應力計算結果：面板順坡向應力在兩岸周邊縫附近有較小的拉應力區域，最大壓應力為2.34MPa，最大拉應力為1.31MPa。面板軸向應力在河谷中部表現為受壓，在兩岸附近有一定的拉應力區域，最大壓應力為2.78MPa，最大拉應力1.25MPa，位于左岸坡周邊縫附近。

（3）面板周邊縫和垂直縫應力變形

蓄水期面板周邊縫三向變形計算結果，周邊縫三向變形中，切向錯動以指向河谷為主，沉陷基本上都指向壩內，張拉方向除河床部位以壓緊為主外，兩岸以張開為主。三向變位最大值分別為：錯動3.3mm，樁號0+168處；沉陷6.9mm，樁號0+077處；張開2.9mm，樁號0+028處。

壩體應力變形對照蓄水期和竣工期計算發現：蓄水期壩體上游壩坡附近的沉降和大、小主應力都比竣工期有明顯的增加，而壩體下游部位沉降和主應力增加則相對較小；蓄水期由于水荷載作用，壩體下游向水平位移較大；蓄水期壩體上游部位的應力水平比竣工期有所下降，而下游部位變化很小。

混凝土面板垂直縫變形總體上是河床部分和面板上部緊壓，兩岸附近和周邊縫附近張開，垂直縫的變形不大，最大張開變形為2.4mm。

4 壩體動力反應分析

壩體動力計算中堆石料的靜力構模型采用“南水”雙屈服面模型。動力分析采用的地震記錄曲線為唐山遷安余震記錄曲線。

（1）壩頂動力反應加速度與壩體高度有關，壩體高度大，則動力反應也大。最大動力反應加速度位于最大剖面0+077壩頂，最大值為5.26m/s2，與輸入最大加速度2.0m/s2相比，動力反應加速度最大放大倍數為2.63倍。

（2）典型剖面壩頂垂直向動力加速度反應，與水平向動力反應加速度一樣，垂直向動力加速度同樣與壩高密切相關，壩頂最大垂直向動力反應加速度位于最大剖面，其值為3.45m/s2。

（3）壩體動力反應加速度與壩高有關，對于不同剖面相同高程的點，河床部位剖面上的點反應加速度比岸坡部位剖面上的點反應加速度大。對于同一剖面內的點，高程大的點反應加速度大。相同剖面內同高程的點，壩軸線附近的反應加速度較其它部位點的反應加速度大。

（4）壩體內部若干結點處垂直向地震動力反應加速度，垂直向地震動力反應加速度的分布規律與水平向地震動力反應加速度類似。

（5）水平向地震動力反應加速度明顯高于垂直向地震動力反應加速度，而且最大反應加速度出現的時間有較大的差別，水平向動力反應加速度最大值出現時間在地震發生后10s左右，而垂直向地震動力反應加速度最大值出現時間在地震發生后3s左右。

（6）壩體部分單元動剪應變過程線，動剪應變與動力反應有關，動力反應強烈，則動剪應變大。壩體單元動剪應變最大值發生時間大都在震后10s左右。

（7）壩體部分單元動剪應力過程線，其分布規律與動剪應變相近。計算結果反映壩體內動剪應力不很大，一般在0.2MPa以下。

（8）在地震過程中，面板動應力一直在變化，動應力最大值發生在震后10s左右，最大動拉應力為6.15MPa，發生在面板中部。面板頂部和底部的動拉應力較小，一般在2MPa以下。

（9）壩體地震永久變形與壩體高度有關，最大永久變形發生在河床最大剖面上，最大殘余沉降為37.94cm，最大殘余水平位移為35.69cm，最大值發生在壩頂附近。

（10）地震后面板周邊縫變位，地震后面板周邊縫位移與震前相比有些變化，三向位移最大值分別為：張開8.1mm、錯動4.7mm和沉陷13.0mm，發生位置分別為樁號 0+021、0+168和 0+091。

5 主要結論及建議

（1）通過對澗峪水庫面板堆石壩施工填筑和水庫蓄水運行進行模擬計算結果顯示，澗峪水庫面板堆石壩方案總體可行。

（2）蓄水期壩體的最大沉降為36.77cm，占壩高的0.47%，此值與已建工程相比屬中等偏小。蓄水期面板周邊縫三向變形在接縫止水結構容許變形范圍。

（3）地震過程中，面板中出現了較大的動拉應力，最大動拉應力為6.15MPa，發生在面板中部。由于在靜力狀態下面板主要受壓，所以在地震過程中面板所受的凈拉應力不會很大，同時混凝土動態抗拉強度比靜態情況下要高，因此地震過程中面板被拉裂的可能性不大。

（4）壩體高度不同，地震永久變形也明顯不同，一方面不均勻沉降較大，另一方面順河向變形也有較大差異，這可能導致防滲墻很不利的工作性態。因此，防滲墻應適當增加配筋，同時防滲墻與面板間的接縫止水應審慎設計，認真施工。

（5）震后面板周邊縫變位，地震后面板周邊縫位移與震前相比有所增加，但地震后周邊縫變形量不大，在接縫止水結構允許范圍內。

（6）設計的下游壩坡為1∶1.5，同時有5個8m寬的馬道，考慮到下游壩坡的安全儲備較高，下游壩坡可適當變陡。鑒于壩體動力反應加速度愈接近壩頂愈大，所以，在壩頂附近宜采用較緩的壩坡，而在壩體下部，可采用較陡的壩坡。