壩料孔隙率對(duì)面板堆石壩施工優(yōu)化的影響分析

劉文娜

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院山西太原030024）

壩料孔隙率對(duì)面板堆石壩施工優(yōu)化的影響分析

劉文娜

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院山西太原030024）

堆石料的孔隙率（干密度）是面板堆石壩施工的重要參數(shù)之一，對(duì)壩體的變形有較大影響。本文針對(duì)積石峽面板堆石壩，采用試驗(yàn)得到的參數(shù)對(duì)堆石區(qū)不同干密度工況進(jìn)行計(jì)算，分析了不同干密度情況下壩體變形穩(wěn)定時(shí)間的規(guī)律，可以為后續(xù)大壩的施工和變形預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

面板堆石壩；孔隙率；施工優(yōu)化；影響分析

積石峽面板堆石壩壩高100m，設(shè)計(jì)填筑方量約280萬(wàn)m3。根據(jù)清華大學(xué)等單位對(duì)開(kāi)挖料用于該堆石壩的可行性研究成果，將盡可能多的采用開(kāi)挖料筑壩［1-4］。一方面能夠降低填筑料的開(kāi)挖運(yùn)輸成本，另一方面可以節(jié)省處理開(kāi)挖料的成本。積石峽面板堆石壩原計(jì)劃在壩體填筑完成后，待變形穩(wěn)定6個(gè)月后再進(jìn)行面板施工。考慮到目前壩體填筑有些滯后，為了實(shí)現(xiàn)早日蓄水發(fā)電，需要研究對(duì)大壩施工方案進(jìn)行優(yōu)化分析，探討較計(jì)劃縮短壩體變形穩(wěn)定期、提前進(jìn)行面板施工的可行性，研究減小由于縮短壩體穩(wěn)定期后導(dǎo)致的壩體流變變形以及其對(duì)面板不利影響的設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化措施。本文針對(duì)不同干密度堆石料筑壩情況進(jìn)行不同變形穩(wěn)定時(shí)間方案的流變變形計(jì)算分析，探討壩料干密度對(duì)施工期優(yōu)化分析的影響研究。

1　工程概況

積石峽為二等大（2）型水電工程，大壩等級(jí)為1級(jí)。大壩最大壩高為103 m，正常蓄水位為1856 m，死水位為1852 m。該工程以發(fā)電為主，年發(fā)電量為33.63億kW·h，保證出力為332.3MW。大壩建于U型河谷斷面之上，地處高山峽谷地區(qū)，河谷左右岸并不對(duì)稱，并且相對(duì)較為陡峭，其中左岸岸坡角達(dá)60°～70°，而右岸相對(duì)較緩也達(dá)到40°～60°。在上述不利地質(zhì)條件上建造高103 m的面板堆石壩，減少大壩的不均勻沉降和滲漏水量是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。大壩的分區(qū)主要由面板、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)以及護(hù)坡等組成。其中墊層和過(guò)渡層由砂礫石料組成，而堆石料由砂巖組成。混凝土面板總面積為3.5萬(wàn)m2，厚0.3m～0.59 m，面板材料采用C25混凝土。

2　計(jì)算模型

2.1堆石料流變模型及參數(shù)

假設(shè)堆石料的流變特性用Merchant模型描述，即符合式（2-1）。將應(yīng)變分解成體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變兩部分：

其中，εvf和γf分別為最終體積流變量和最終剪切流變量。

三參數(shù)流變模型的參數(shù)為α、b、d；七參數(shù)流變模型的參數(shù)為α、b、c、d、m1、m2、m3。三參數(shù)流變模型比較簡(jiǎn)單，參數(shù)較少，但是不能很好地符合流變?cè)囼?yàn)結(jié)果。七參數(shù)流變模型認(rèn)為體變不僅與圍壓有關(guān)，而且與軸向荷載相關(guān)。從堆石流變的機(jī)理上來(lái)看，流變主要是由于堆石顆粒的破碎引起，而試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)荷載較小時(shí)，顆粒破碎量隨荷載加大而明顯增加，但是隨著荷載進(jìn)一步增加，顆粒破碎量增加相對(duì)減慢。所以七參數(shù)流變模型能夠更加合理反映流變變形量的各種影響因素，但是參數(shù)較多，不利于參數(shù)反演計(jì)算。

本文在調(diào)研分析積石峽面板堆石壩3種壩料的流變?cè)囼?yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出最終流變量由下式計(jì)算：

這個(gè)流變模型的最終流變量具有七參數(shù)流變模型的類似表達(dá)形式，能夠綜合反映流變變形量的多種影響因素，但是模型參數(shù)大大減少，只有兩個(gè)：α、b，這樣有利于參數(shù)的反演計(jì)算。其中α是表示初始流變速率的量，其值越大則變形穩(wěn)定越快，反之則越慢；b值則確定最終體積流變量和最終剪切流變量的大小。下文不妨稱其為二參數(shù)流變模型。大壩的加載變形的計(jì)算采用清華混合料加載模型，流變變形計(jì)算采用上述的二參數(shù)流變模型。流變模型參數(shù)通過(guò)類比相似工程確定如表1。

表1　流變模型參數(shù)

2.2有限元模型

本文對(duì)大壩典型斷面進(jìn)行二位數(shù)值計(jì)算，計(jì)算所取斷面為大壩典型剖面圖。其中網(wǎng)格包含結(jié)點(diǎn)數(shù)為386，單元數(shù)為355。在計(jì)算中盡量真實(shí)模擬了壩體分層均勻上升的填筑過(guò)程，面板施工過(guò)程和水庫(kù)蓄水過(guò)程。壩體施工結(jié)束后再進(jìn)行面板施工，壩體竣工以后蓄水至設(shè)計(jì)水位。本次計(jì)算考慮了壩體與基巖的接觸面、采用了試驗(yàn)結(jié)果確定了擠壓墻以及其與面板接觸面的相關(guān)參數(shù)。計(jì)算時(shí)上游水壓力按照面力施加在上游面板表面，模型底部施加固定約束。

3　不同壩料孔隙率（干密度）施工優(yōu)化分析

采用表1中的流變模型參數(shù)，針對(duì)相對(duì)較高和相對(duì)較低干密度的兩種方案進(jìn)行了不同變形穩(wěn)定時(shí)間的流變計(jì)算分析。變形穩(wěn)定時(shí)間分別為0天、30天、60天、90天、120天、180天和360天的施工方案。

由計(jì)算結(jié)果可以得到以下規(guī)律：

1）流變變形對(duì)大壩的位移場(chǎng)有一定影響，壩體豎向沉降及順河向位移均有所增加；由流變引起的豎向位移增量沿壩體高程逐漸增加，使得壩體總體沉降最值位置較蓄水完成期有所抬高；壩體順河向位移的增量方向指向下游，使得壩體總體水平向位移向上游有所減小，向下游有所增加；流變變形對(duì)大壩的應(yīng)力場(chǎng)影響較小。

2）流變變形引起了壩體變形增加，從而使得面板撓度增大和應(yīng)力發(fā)生較為明顯的變化。堆石料流變變形引起的面板撓度增量隨著高程逐漸增大，在面板頂部達(dá)到最大，使得面板撓度最大值位置有所抬高；流變變形對(duì)面板應(yīng)力產(chǎn)生了較大的影響，其中順坡向應(yīng)力、壓應(yīng)力明顯增大，但對(duì)拉應(yīng)力大小和分布影響不大；面板水平向應(yīng)力壓應(yīng)力有所增大，拉應(yīng)力區(qū)域略有縮小而大小變化不明顯。

3）大壩的應(yīng)力變形與變形穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系表現(xiàn)出較為明顯的階段性：當(dāng)變形穩(wěn)定時(shí)間小于30天時(shí)，壩體應(yīng)力變形隨著變形穩(wěn)定時(shí)間的增加顯著減小；當(dāng)變形穩(wěn)定時(shí)間在30天至180天變化時(shí)，壩體應(yīng)力變形的減小與變形穩(wěn)定時(shí)間的增加基本呈線性關(guān)系；當(dāng)變形穩(wěn)定時(shí)間大于180天時(shí)，壩體應(yīng)力變形隨變形穩(wěn)定時(shí)間的變化不大。

4）不同的干密度主要影響加載產(chǎn)生的壩體變形和面板應(yīng)力變形，較高干密度時(shí)壩體變形相對(duì)較小，面板應(yīng)力和變形也相對(duì)低干密度時(shí)較小；鑒于施工過(guò)程中干密度變化范圍較小，可以認(rèn)為堆石料流變參數(shù)變化不大，那么，除由于加載變形導(dǎo)致的總體變形不同外，干密度的變化對(duì)運(yùn)行期壩體應(yīng)力和變形增量的影響很小。

4　結(jié)語(yǔ)

本文基于已有的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值模擬方法，探討大壩施工的優(yōu)化措施并評(píng)價(jià)其有效性，其核心是分析不同干密度條件下壩體變形規(guī)律。進(jìn)行了不同干密度方案的流變計(jì)算分析，探討了流變變形對(duì)大壩應(yīng)力變形的影響規(guī)律，并計(jì)算分析了不同變形穩(wěn)定時(shí)間方案大壩全過(guò)程的應(yīng)力變形規(guī)律研究，論證探討了大壩施工期優(yōu)化方案。陜西水利

［1］張建民，張嘎.面板堆石壩安全性評(píng)價(jià)的若干研究進(jìn)展.中國(guó)面板堆石壩建設(shè)20周年紀(jì)念和學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，中國(guó)水利水電出版社，2005:605-616.

［2］張嘎，張建民，洪鏑.公伯峽面板堆石壩面板裂縫非常工況的滲流分析.水利學(xué)報(bào)，2005，36.

［3］溫立峰，柴軍瑞，王曉.深覆蓋層上面板堆石壩應(yīng)力變形特性研究.巖土力學(xué)，2015.36（8）:2686-2394.

［4］羅剛，張連衛(wèi)，張建民.高擋墻混合壩動(dòng)力反應(yīng)分析.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，（5）.

（責(zé)任編輯：暢妮）

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