基于材料滲變效應的面板堆石壩有限元分析

李 婧，張憲彪

(大興安嶺地區行署水務局,黑龍江 大興安嶺 165000)

基于材料滲變效應的面板堆石壩有限元分析

李 婧，張憲彪

(大興安嶺地區行署水務局,黑龍江 大興安嶺 165000)

面板壩是大壩設計中較普遍的一種壩型，它適應性強，抗震性好，隨著砂礫石和軟巖等新型材料的應用，合理的控制設計具有及其重要的意義。文章在研究面板砂礫石壩受滲流變形影響的基礎上，對壩體進行三維有限元計算分析，對壩體在不同工況下的應變趨勢進行總結。本次研究先結合已建的部分工程實例，通過不同高度的壩體對比研究，證明流變效應的存在及影響，在此基礎上對比選出較準確的砂礫石料流變模型參數，并探索在有限元程序中實現的方法，對此類高面板壩的設計具有一定的指導意義。

面板堆石壩；材料滲變效應；三維有限元；砂礫石

1 概 述

混凝土面板堆石壩是以堆石料作為壩體填筑材料，防滲體系由混凝土面板、防浪墻、趾板和壩基防滲帷幕構成的一種堆石壩壩型。它具有施工便捷性強、適應性好和安全性高等優點，在當今壩工設計領域上，發展空間極大，競爭優勢明顯[1]。作為堆石壩的一種新型方法，面板砂礫石壩特點明顯，大部分壩體填筑材料就地取材，方便快捷，砂礫石經過振動碾壓而成。和堆石材料相比，使用砂礫石料填筑可以充分發揮其材料本身的高變形模量和易壓實特性，并且天然狀態的砂礫石料其分布也是十分的廣泛，因此將其作為主要筑壩材料顯而易見在降低開采難度的同時也節約了工程成本和工期。

隨著現代的理論水平的提升和筑壩經驗不斷積累，高壩甚至特高型壩將會主導未來的壩工建設。但是砂礫石料本身也有著滲透性差的特點不容忽視，極易威脅到大壩的安全。故《混凝土面板堆石壩設計規范》中要求在面板砂礫石壩在壩體分區設計中須設置“L”形的強透水體，以便及時排除上游面板和墊層間的滲水，極大程度上降低大壩的浸潤線，以此保證大壩的安全運行。

2 面板砂礫石壩滲變效應研究概述

采用非線性彈性或彈塑性方法對面板砂礫石壩的應力變形進行有限元模擬，對于壩高比較低的時候可以得到較為合理的結論，但是隨著中國高面板壩的不斷興建，依舊采用這種方法而忽略時間效應對壩體的影響，就可能會致使分析出結果誤差比較大，這是因為砂礫石壩的變形包括瞬時變形和與時間有關的流變變形。而后者主要體現在大壩在竣工和蓄水后，填筑料在高應力作用下繼續發生破碎、產生相對位移、互相充填密實，并引起壩體內部應力出現重新分布。目前在中國已建的工程中，出現了由于在壩體填筑完后未待填筑料的初期流變完成就澆筑面板，最終導致其面板下方出現不同程度脫空的實例。根據已有的研究，只有在有限元分析中采用與時間有關的流變模型才能較為合理的反應出大壩實測情況[2]。

目前，在面板壩流漏變形的研究方法，其主要是在大量試驗基礎上構建本構模型關系式來實現，并通過具體工程實例的計算比較，來驗證其本構關系建立的合理性。最早對此進行試驗研究的是澳大利亞A.K.Parkin，采用固結儀對堆石料進行試驗，分析得到沉降速度與時間的關系[3]。最終收集的觀測數據離散性很大，使這種檢測方法很難得到發展。在90年代沈珠江團隊對面板堆石壩墊層料進行大量實驗，分析得出體積流變和圍壓之間的正比關系，以及應變與時間的雙曲線關系，因此提出了三參數流變模型。但缺點在于此模型無法真實模擬堆石料的縮尺效應，并且試驗時間較大，造成了計算結果不精確。所以基于分區材料的流變效應，當前能夠研究出一種較真實貼合現實工程實例的本構模型顯得極為重要，同時也是高面板壩特別是特高壩必須解決的研究課題[4]。

3 工程實例一

3.1 工程概況

某面板砂礫石壩位于和田地區的喀拉喀什河上，流域面積1.9×104km2，總庫容3.23億m3，其中調節庫容為2.25億m3。該水利樞紐主要任務為灌溉和防洪，兼具發電，是一座綜合性能的大(2)型水利樞紐工程。該大壩正常蓄水位為1962m，電站總裝機60MW，多年平均年發電量1.97億kW·h。壩高133m，壩頂長度為365m，大壩填筑材料主要是砂礫石料為主，上、下游壩坡比為1∶1.6， 1∶1.5，大壩馬道呈之字形[5]。大壩壩體典型剖面見圖1。壩體的主要分區見表1所示。

圖1 面板砂礫石壩的典型剖面圖

3.2 計算結果

在某面板砂礫石壩流變效應的有限元模擬中[6]，壩體材料采用七參數的模型，計算過程總共分為40步，其中壩體填筑12步，壩體填筑完成后，面板澆筑6步，壩體蓄水分為3步，其余步數為材料流變。

圖2為流變附加節點荷載曲線圖，圖3為壩體最大沉降點位移曲線圖。

圖2 流變附加節點荷載歷時曲線

由圖2可知，在施工期附加節點荷載和壩體填筑高度成指數型正比關系，但當時間到達一定程度，附加節點荷載呈現指數型衰減，在蓄水期后的相當一段時間內，逐漸趨于穩定。

圖3 最大沉降點位移歷時曲線

從圖3得出，面板砂礫石壩的沉降速度隨時間變化較快，一定程度上可以縮短工期。同時，壩體的沉降變形一直都存在，無論是在碾壓澆筑過程中還是蓄水后。最終達到一穩定值，此圖充分體現出材料流變效應的特性以及受滲變的影響程度。

大壩的安全監測系統主要是安裝水管式沉降監測儀，分別設置在高程1885.0m，1905.0m，1925.0m，1945.0m；其中在1905.0m和1925.0m處安裝水平位移計，以此來監測壩體的水平位移變化；

將有限元計算結果和工程實測數據進行對比，經過對比可得出，考慮材料的流變作用前后，壩體的應變值有不同程度的增大，二考慮滲變效應的計算接近實測結果，見表2。這說明在壩體的有限元分析中，考慮材料流變作用的影響在有限元分析計算是十分必要的。

表2 面板砂礫石壩三維有限元分析成果與運行觀測結果對比表

4 工程實例二

4.1 工程概況

某水利樞紐是目前世界上已建最高的面板堆石壩，位于清江干流上，該樞紐工程主要任務為發電為主，兼具灌溉、防洪、等效用。水庫總庫容45.80億m3，其中調節庫容23.83億m3，電站總裝機容量1600MW，多年平均年發電量39.2億kW·h[7]。正常蓄水位為400m，該工程規模屬于Ⅰ等大(1)型。最大壩高233.0m，壩頂寬度12.0m，壩軸線長660.0m,大壩上、下游坡1∶1.4， 1∶1.25，馬道設置為 “之”字形。

壩體按材料分區分為7個填筑區，包括鋪蓋區，蓋重區，墊層區，過渡區，主堆石區，下游堆石區，護坡。各分區見典型剖面如圖4所示。

圖4 面板堆石壩典型剖面圖

4.2 計算結果

本節選用的流變模擬成果試驗主要是大型高壓三軸儀實現的[8]，計算得出相關結果。現將分析成果列于表3。

表3 面板堆石壩三維有限元計算成果

表3的結算結果反映出壩體應力變形在是否考慮滲變影響下并與工程實測資料對比，其有限元模擬成果能夠較準確的支持工程實測數據，基本達到“準確的定性，粗略的定量”，故考慮流變影響貼切工程實際，且對此類工程控制設計具有一定的指導價值[9]。

4.3 運行監測結果

壩體運行觀測主要包括對堆石體和面板的應力應變進行監測；面板變形監測主要采用儀器是固定式測斜儀，布設測點在兩個監測斷面110和190處；堆石體的沉降量采用水管式沉降儀，水平垂直位移利用水平位移計監測，共布設3個監測斷面，分別為130、268和3693個典型斷面處，最大斷面為212，監測結果如圖5所示為300m高程的沉降儀曲線測試圖。

圖6反映了壩高235.0m高程處3個不同測點的沉降情況，其中1測點真實反映了大壩墊層區的變形特征，墊層區的變形大小隨著壩體高度的不斷增大逐漸趨于穩定。因為此測點處于壩坡處，沉降量前期已趨于穩定，后期的影響不是很大。此結果表明了堆石料的流變特征。而測點9反映了次堆石區的沉降規律，壩體填筑高度的上升變形量增大幅度較為明顯，變化曲線呈線性分布。綜合以上計算結果得出的沉降分布規律可得出，壩體前期沉降變化主要是填筑料體本身自重和外荷載決定，前期變形規律明顯，而后期的變形逐漸趨于穩定，直接證明了材料流變特性的存在。因此從高、低兩種面板堆石壩的應力變形有限元結果分析，工程實際中為更加準確的計算大壩的應變情況，考慮材料的流變效應具有十分重要的價值。

圖5 條典型水管式沉降儀曲線測試圖

圖6 三不同測點沉降時間過程曲線

5 結 論

從大量已建面板壩的工程實例運行觀測資料分析，壩體的滲變特性對大壩的安全有著很重要的意義，這種隨著時間變化產生流變變形在壩工設計中應著重考慮。在高度較低的面板堆石壩壩中，流流變形作用較小，在設計中可以忽視，但是在高面板壩的設計中不能不考慮，堆石料的流變特性不僅對大壩、面板和周邊縫的應力變形作用顯著。只要是面板堆石壩，這種流變效應就必須考慮在設計之內，同時也能更加真實的反映壩體的應力變形規律。在對高面板壩進行有限元分析時，必須選擇適宜的流變本構模型，對各分區材料的特性尤其是的流變特性進行重點研究，并采取適宜的工程措施，這對工程的安全運行以及各技術經濟指標的提升具有很重要的指導意義。

[1]中華人民共和國水利部.SL228-98混凝土面板堆石壩設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[2]蔣國澄,傅志安,鳳家驥.混凝土面板壩工程[M].武漢:湖北科學技術出版社,1997：62-74.

[3]蔣國澄.混凝土面板堆石壩進展概述[J].貴州水利發電，1999(13)：6-15.

[4]梁軍.高面板堆石壩流變特性研究[D].南京:河海大學,2003.

[5]盧繼旺,余亞鵬.200m級面板堆石壩流變分析[J].水電能源科學,2010(4):90-92.

[6]劉小生，王鐘寧，汪小剛，等.面板壩大型振動臺模型試驗與動力分析[M].北京：水利水電出版社，知識產權出版社，2005：26-39.

[7]羅先啟，葛修潤.混凝土面板堆石壩應力應變分析方法研究[M].北京：中國水利水電出版社，2007：47-68.

[8]周偉,常曉林,胡穎,等.高混凝土面板壩流變分析[J].武漢大學學報(工學版),2005(12):96-99.

[9]蔡新.混凝土面板堆石壩結構分析與優化設計[M].北京：中國水利水電出版社，2005：95-97.

Slab Rock-fill Dam Finite Element Analysis based on Effect of Material Permeability Change

LI Qian and ZHANG Xian-biao

(Daxinganling Prefectural Water Affairs Bureau, Daxinganling 165000, China)

The slab dam is adaptable and resilient and belongs to a common dam type in the dam design. With the application of new materials such as the sandy-gravel and soft-rock, the reasonable control design is of great significance. Based on the research of slab sandy-gravel dam affected by seepage deformation, this paper analyzed the three-dimensional finite elements for the dam body and drew a conclusion for stress tendency under different project situations of the dam body. In combination with partial project cases have been constructed, it is proved that the effect of rheological characteristics exists by comparing the dam bodies in different heights in this paper, quiet correct rheological effect model parameters of sandy gravel are selected and the methods realized in finite element program is explored based on these, which would be significant for designing similar high slab dams.

slab rock-fill dam; effect of material permeability change; three-dimensional finite element; sandy gravel

1007-7596(2017)06-0014-05

2017-05-16

李婧(1969- )，女，吉林懷德人，高級工程師，從事勘測設計工作；張憲彪(1982-)，男，吉林扶余人，工程師，從事勘測設計工作。

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