高面板堆石壩面板脫空影響因素分析

閆尚龍 朱 晟 朱昌杰

（1.河海大學 水工結構研究所，南京 210098；2.寧波市水利水電規劃設計研究院，浙江 寧波 315100）

自20世紀70年代初重型振動碾壓設備成功應用于壩工建設，再加上混凝土面板滑模澆注技術的成熟，使得混凝土面板堆石壩得到了迅速推廣，成為當今世界擁有相當競爭力的壩型.同時，近年來隨著混凝土面板堆石壩壩高的不斷增加，其在施工過程中的壩體受力變形狀況更加復雜，面板脫空問題等技術難題也備受關注［1］.天生橋一級電站面板堆石壩在開始運行后就出現了面板與墊層間脫空的現象，面板脫空導致面板在局部范圍內成為一端受約束的懸臂梁，最終形成明顯的反彎點，產生較大的彎矩使得面板的應力狀態迅速惡化從而導致面板表面出現裂縫［2－4］.目前，面板脫空的成因以及影響已成為高面板堆石壩中的一個重要研究課題.

1 工程背景以及數值模型建立

云南某混凝土面板堆石壩初擬方案最大壩高275.5m，壩頂寬14.0m，主壩壩體從上游到下游分為混凝土防滲面板、墊層、過渡層、堆石區、下游坡面干砌石護坡以及壩基排水.壩體上游坡坡比1∶1.5，下游坡坡比為1∶1.5.面板采用變厚混凝土面板，厚度從40cm漸變至135cm；混凝土面板下游設水平寬5m的墊層料和水平寬6m的過渡料.在壩體頂部壩高1／4范圍內設增模區.壩基開挖后經處理地質現象基本良好.

考慮到壩體填筑高程較高，壩體荷載采用逐級加載的模擬方式.按每期壩體填筑高程的順序，整個壩體及面板共分49級來模擬，如圖1所示.

圖1 壩體填筑加載設計（高程單位：m）

以河床典型剖面為基準，采用三維自動剖分程序剖分壩體單元，沿壩軸線方向共設定了73個計算剖面進行剖分，網格剖分以8結點六面體空間等參單元為主，局部輔以6結點五面體單元，整個壩體結構共剖分得到總結點數19 707個，總單元數16 117個，其中實體單元14 166個，接觸面單元955個，豎縫單元932個，周邊縫單元64個，典型剖面有限元網格如圖2～3所示.

圖2 大壩剖分網格立視圖

圖3 大壩典型橫斷面有限元網格

數值模擬時，將混凝土面板視為線彈性材料，其材料參數為E＝26GPa，μ＝0.27，ρ＝2 500kg／m3，其中，E為材料彈性模量，μ為材料泊松比，ρ為材料密度.堆石料是面板壩工程的主體，其變形性態的合理模擬決定了對整個面板壩結構變形性態預測的準確性和可靠性.筑壩堆石料是非線性材料，變形不僅隨荷載的大小而變化，還與加荷的應力路徑相關，應力應變關系呈現明顯的非線性特性.鄧肯－張模型公式簡單，參數物理意義明確.三軸試驗研究結果表明，其對土體應力應變非線性特性亦能較好地反映.因此堆石料、墊層和過渡料等非線性材料采用工程常用的鄧肯E－B模型模擬，壩體各分區填筑材料的參數根據室內三軸試驗結果確定，各分區材料參數見表1.面板堆石壩中由于混凝土面板和墊層料的剛度差異較大，為模擬兩種材料間的相互作用，在有限元分析時，設置Goodman接觸面單元處理這種位移不協調.

表1 大壩各分區材料鄧肯E－B模型參數

2 面板脫空的影響因素分析

由于該面板堆石壩壩體高度達到275m，同時面板及壩體填筑分期比較復雜，因此本文以下均以Ⅰ期面板作為研究對象來詳細探究影響面板脫空問題的3種因素.同時，研究采用控制變量法即控制其他條件不變的情況下，研究單一因素對面板脫空的影響.

2.1 已填筑壩體超高對面板脫空的影響

根據工程設計方案，預沉降時間為6個月，擬定Ⅱ期面板澆筑前填筑堆石體超高（堆石體相對Ⅰ期面板超高）分別為20m、40m、60m3種方案.分析堆石體超高對Ⅰ期面板脫空的影響，如圖4所示.通過壩體三維有限元仿真，模擬壩體的填筑、度汛過程.分別分析了3種超高方案對Ⅰ期面板脫空的影響，具體結果見表2.

圖4 面板超高方案

表2 不同壩體超高方案下Ⅰ期面板脫空值

圖5～7分別為已填筑壩體超高20m、40m、60m時Ⅰ期壩體水平向變形云圖.壩體在填筑過程中由于泊松效應，堆石體存在著向外鼓脹的現象，致使Ⅰ期面板頂部均產生一定程度的脫空現象，且隨著已填筑壩體超高的增加，面板頂部的張開量逐漸減小，面板的脫空深度也得到了顯著改善.已填筑壩體超高20 m時Ⅰ期面板的張開量為2.53cm，脫空深度達18.4 m，當壩體填筑超高為60m時，Ⅰ期面板張開量減為1.57cm，脫空深度銳減為5.1m.可以看出，增加已填筑壩體超高可以有效地減小面板脫空.因此，在實際的工程施工中，增加已填筑壩體的超高是可取的，應結合實際工程的施工方案確定具體的超高方案.

圖5 已填筑壩體超高20m時Ⅰ期壩體變形云圖

圖6 已填筑壩體超高40m時Ⅰ期壩體變形云圖

圖7 已填筑壩體超高60m時Ⅰ期壩體變形云圖

2.2 壩體預留沉降時間對面板脫空的影響

根據該面板堆石壩的施工進度安排，研究Ⅰ期面板在預沉降時間分別為3個月、6個月、9個月時的面板脫空情況（Ⅱ期面板澆筑前）.模擬壩體的填筑、度汛過程，計算分析了3個預沉降方案對Ⅰ期面板脫空的影響，具體結果見表3.

圖8～10分別為預沉降時間3個月、6個月和9個月時Ⅰ期壩體水平向變形云圖.隨著預沉降時間的增加，面板澆筑前堆石體由于泊松效應向外鼓脹的量值逐漸趨于穩定，這有助于減小面板頂部的脫空程度.在預沉降時間為3個月時Ⅰ期面板存在2.78cm的張開量，脫空深度達22.7m；而預沉降時間為6個月時，Ⅰ期面板張開量減為1.08cm，脫空深度銳減為3.7m.可以看出，延長壩體的預沉降時間可有效地減小面板脫空的程度，同時壩體的預沉降時間越長越有利于減少面板脫空程度，但預沉降時間超過6個月時，預沉降時間對面板脫空的影響越來越小，因此過分延長預沉降時間是不可取的，在實際工程中建議可結合具體工程的實際施工進度綜合確定預沉降時間.

圖8 預沉降3個月時Ⅰ期壩體變形云圖

圖9 預沉降6個月時Ⅰ期壩體變形云圖

圖10 預沉降9個月時Ⅰ期壩體變形云圖

2.3 壩體臨時斷面充水預壓對面板脫空的影響

在預沉降時間6個月的方案下研究壩體臨時斷面充水預壓對Ⅰ期面板脫空的影響，具體結果見表4.圖11～12分別為采用和不采用臨時斷面充水預壓時的壩體水平向變形云圖.

表4 壩體是否采取臨時斷面充水預壓時Ⅰ期面板脫空值

圖11 壩體臨時斷面未充水預壓Ⅰ期壩體變形云圖

圖12 壩體臨時斷面充水預壓后Ⅰ期壩體變形云圖

當采用壩體臨時斷面充水預壓時，壩體進一步趨于密實，壩體模量有一定程度的增大，壩體填筑過程中向外鼓脹量值相比未采用充水預壓時有所減小，這有助于減小面板脫空的程度.結果表明，未采取壩體臨時斷面充水預壓時，面板張開量值為1.62cm，脫空深度為8.8m，采用充水預壓后，其張開量值減為1.57cm，脫空值減為5.1m，面板脫空得到一定程度的改善.分析脫空值大小也可以看出，壩體臨時斷面充水預壓對面板脫空的影響不是很明顯，因此，在實際的工程中，可以結合施工導流度汛安排，把壩體臨時斷面充水預壓作為改善面板的脫空的一個輔助措施實施.

3 結 論

本文以云南某高面板堆石壩為例，通過三維非線性有限元仿真計算詳細模擬其施工程序和蓄水過程，從壩體填筑超高、壩體預留沉降時間、壩體臨時斷面充水預壓3個主要方面探究其對面板脫空的影響.結果表明：從改善面板脫空的角度而言，增加壩體預留沉降時間方案的改善效果最顯著，但當預留沉降時間超過6個月時面板脫空的減小程度有限，應結合實際工程情況合理確定預留沉降時間；增加已填筑壩體超高方案的改善效果其次，建議擬定分期施工方案時予以考慮；壩體臨時斷面充水預壓對面板脫空的改善有限，可作為減小面板脫空的輔助措施.

［1］ 沈長松，李艷麗，鄭福壽.面板堆石壩面板脫空現象成因分析及預防措施［J］.河海大學學報，2006，34（6）：635－639.

［2］ 趙魁芝，李國英，沈珠江.天生橋混凝土面板堆石壩面板原型觀測資料反饋分析［J］.水利水運科學研究，2001，（1）：38－44.

［3］ 肖化文，楊 清.對高面板堆石壩一些問題的探討［J］.水利水電技術，2003，34（2）：9－12.

［4］ 張丙印，師瑞鋒.流變變形對高面板堆石壩面板脫空的影響分析［J］.巖土力學，2004，25（8）：1179－1184.