雙江口高堆石壩壩料流變特性及三維有限元分析

張 蜀 豫， 段 斌， 唐 茂 穎， 李 鵬， 王 觀 琪

(1.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

雙江口高堆石壩壩料流變特性及三維有限元分析

張 蜀 豫1， 段 斌1， 唐 茂 穎1， 李 鵬1， 王 觀 琪2

(1.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

300 m級高堆石壩的流變變形不可忽略。對最大壩高達到312 m的雙江口心墻堆石壩上下游壩殼料進行了流變試驗，發展和完善了計算流變變形的數學模型并整理了相關計算參數，采用三維有限元方法分析了流變對大壩變形的影響。結果表明：(1)壩料流變引起的廣義剪應變隨應力水平的增加而增加，引起的體積應變增量隨圍壓的增加而增加，亦隨應力水平的增加而增加；(2)流變引起的變形增量在填筑與蓄水期為自上下游兩側向心墻方向擠壓，而在運行期則是由心墻向上下游兩側擠壓；(3)考慮流變變形后蓄水期壩體最大沉降增加約22%，而運行期的流變變形相對較小。

300 m級高堆石壩；流變；有限元；雙江口水電站；三維有限元分析

堆石壩由于其具有良好的基礎適應性、能就地取材和充分利用建筑物開挖料、造價較低及抗震性能好等優點，已成為一種極具競爭力的壩型。實際工程的運行成果表明：大壩建成后的長期運行過程中堆石體仍有較大的流變變形，對于300 m級堆石壩而言，堆石體的流變變形更大，可能使防滲結構產生裂縫，影響防滲性能，危及大壩安全。Justo J L等[1]采用一維粘彈性模型模擬顆粒材料的流變變形，其沉降計算結果與實測數據比較吻合，但不能反映大壩的整體變形特征。陳曉斌等[2]根據試驗結果，建立了紅砂巖粗粒土非線性彈黏塑性6 元件流變本構模型。張丙印等[3]通過對天生橋一級面板堆石壩進行的有限元分析，認為流變可明顯加大面板的脫空和墊層料的虧坡。周偉等[4]采用高圍壓下的冪函數流變本構模型，對水布埡面板堆石壩進行了有限元分析，結果表明考慮堆石流變后的壩體沉降有明顯的增加，對面板的應力變形狀態有較大影響。鄧剛等[5]根據提出的堆石體流變模型，對建設在狹窄河谷中的九甸峽混凝土面板堆石壩進行了三維有限元分析，考察了三維效應、堆石體流變等因素對大壩長期應力變形特性的影響。

以上工作極大地豐富了堆石壩流變研究成果，但其主要面向100 m級和200 m級的堆石壩，300 m級堆石壩的流變問題還需進一步研究。筆者結合最大壩高達314 m的雙江口大壩堆石料的流變試驗和三維有限元數值模擬，對300 m級堆石壩的壩料流變特性、流變模型以及流變對大壩變形的影響進行了研究。

1 雙江口大壩堆石料流變特性試驗

1.1 試驗方法

試樣直徑D=300 mm，試樣高度H=700 mm，制樣干密度和試驗級配見表1和表2。試驗時，首先根據飽和樣常規三軸試驗確定的強度指標，計算出各級圍壓(0.5 MPa、1.2 MPa、2 MPa、3 MPa)和各級應力水平(0、0.35、0.5、0.8)下的偏應力。在已知三軸應力條件下，先按常規三軸試驗方法將試樣等壓固結并剪切至特定應力，然后開始進行既定應力狀態下的流變變形試驗。由于無規范可循，根據經驗，流變穩定標準按照相鄰兩次(24 h)讀數差/總流變量≤5%進行控制。

表1 壩料制樣控制干密度表

表2 壩料試驗級配表

1.2 試驗結果

堆石體的流變試驗過程是首先剪切至既定的應力水平，然后測定在既定偏應力下的流變量。由于堆石體的流變為荷載一施加即會發生，故筆者以該點作為流變的起點，而以上述流變變形穩定標準作為流變的終點。表3給出了試驗得到的下游堆石料軸向流變量、體積流變量及剪應變流變量。根據試驗結果可以得到以下認識：

(1)低圍壓下堆石體的流變較小，而在高圍壓下堆石體則表現出較為明顯的流變特性，在圍壓為2～3 MPa，應力水平為0.8時，其流變量達到1%；

(2)除圍壓外，剪應力對堆石體的流變也有顯著影響；

(3)由于堆石變形的尺寸效應影響，室內試驗壩料一般在一周左右即可達到既定的穩定標準，而原觀資料表明現場壩料的流變效應一般持續1～2 a，因而試驗得到的流變速率明顯偏大。

表3 雙江口大壩下游堆石料流變變形試驗結果表

2 流變對300 m級心墻堆石壩變形影響的三維有限元分析

2.1 壩料流變模型及參數

選用以指數型衰減的Merchant模型模擬常應力下的ε～t衰減曲線，其蠕變曲線可以寫為：

ε(t)=εi+εf(1-e-at)

(1)

考慮到堆石料在高圍壓和高應力水平下流變增量明顯，將式(1)修正為：

(2)

改進后的模型共有α、b、mc、β、d五個參數。采用最小二乘法可求得壩料流變模型參數，對于α值，由于試驗成果不能反映大壩的實際流變速率，因此，在目前試驗水平下只能根據反饋分析的經驗值選取。另外，由于僅開展了上游堆石料和下游次堆石料的流變試驗，其他壩料的流變模型參數通過工程類比確定，據此確定的計算參數見表4。

2.2 單元離散及模擬方法

在進行三維有限元網格剖分時，實體單元采用8結點六面體等參單元，為適應邊界條件以及壩料分區的變化，部分采用三棱體和四面體作為退化的六面體單元處理，共剖分為10 201個單元、 10 813個結點。計算時，采用逐級加載的方法模擬壩體施工工序，水庫蓄水過程通過水荷載分級施加進行模擬，共分成63級進行模擬，水庫蓄水過程如下：(1)第九年4月：壩高高程2 385m，蓄水至高程2 350m；(2)第十年5月：壩高高程2 460m，蓄水至高程2 425m；(3)第十年10月：壩高高程2 480m，蓄水至高程2 450m；(4)

表4 流變變形計算參數表

第十一年10月：壩高高程2 510 m，蓄 水 至 高 程2 500 m。

2.3 三維有限元計算結果分析

圖1為考慮壩料流變變形后蓄水期河床最大斷面的變形矢量圖。計算結果顯示：壩料流變變形方向為由上下游兩側向心墻方向擠壓，指向下游側的流變變形最大值為14.4 cm，指向上游側的流變變形最大值為9.2 cm，垂直向流變變形最大值為55.8 cm，發生在心墻壩軸線的2 304 m高程。

圖2為考慮壩料流變變形后蓄水期河床最大斷面的順河向位移和沉降等值線圖。與不考慮流變變形計算結果相比，考慮流變變形后指向下游側的順河向位移有所增大，最大值為66.8 cm；指向上游側的順河向位移有所減小，最大值為26.7 cm，垂直向沉降增大為308.8 cm，發生在心墻壩軸線的2 317 m高程，較之不考慮流變變形的結果偏低。

圖1 考慮壩料流變變形后河床最大斷面變形增量的矢量圖(蓄水期)

圖2 考慮壩料流變變形后河床最大斷面變形分布圖(蓄水期)

圖3為考慮壩料流變變形后蓄水10 ɑ后河床最大斷面的變形矢量圖。計算結果顯示：運行期流變變形的方向表現為由心墻向上下游兩側擠壓，指向上游側的順河向位移增量為7.8 cm，指向下游側的順河向位移增量為7.3 cm，垂直向位移增量為13.9 cm，發生在壩頂。由于大壩填筑周期長達6 ɑ，大部分流變變形已在施工期完成，故而在運行期的流變變形較小。

圖4為考慮壩料流變變形且蓄水10 ɑ后河床最大斷面的順河向位移和沉降等值線圖。由于運行期流變變形方向為由心墻向兩側擠壓，與蓄水期計算結果相比，指向上游側順河向位移有所增大，最大值為28.6 cm，指向下游側順河向位移有所減小，最大值為60.8 cm。最大沉降值則增大為318.2 cm。

圖3 考慮壩料流變變形后河床最大斷面變形增量的矢量圖(蓄水10 ɑ后)

圖4 考慮壩料流變變形后河床最大斷面變形分布圖(蓄水10 ɑ后)

3 結 論

(1)堆石料流變除與堆石體本身的物理力學特性有關外，還與應力狀態密切相關。流變引起的廣義剪應變主要與應力水平有關，與圍壓的關系相對較小。而流變引起的體積應變與圍壓和應力水平均關系密切。壩料流變引起的廣義剪應變隨應力水平的增加而增加，引起的體積應變增量隨圍壓的增加而增加，亦隨應力水平的增加而增加。筆者根據試驗規律所建立的流變模型充分反映了應力狀態的影響。

(2)流變變形對壩體變形影響很大。通過有限元計算，不考慮流變變形時，蓄水期壩體最大沉降為253.1 cm，約為壩高的0.81%，發生在河谷中央的2 352 m高程。考慮流變變形后，蓄水期壩體最大沉降為308.8 cm，約為壩高的1%，發生在心墻壩軸線的2 317 m高程，與不考慮流變的結果相比，壩體最大沉降增加約22%，而位置要偏低一些。

(3)流變引起的變形增量在填筑與蓄水期是上下游兩側向心墻方向擠壓，而在運行期則是由心墻向上下游兩側擠壓。有限元計算結果顯示：由于大壩填筑周期較長，大部分流變變形可能在施工期完成，故而在運行期的流變變形較小，運行10 ɑ后壩體最大沉降為318.2 cm，相對于蓄水期增加約3%。考慮到目前有限元計算發展水平，影響計算結果準確性的因素眾多，上述計算結果有待實際工程進一步檢驗。

[1] Justo J L，Durand P. Settlement-time behaviour of granular embankments [J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2000，24: 281 ～ 303.

[2] 陳曉斌，張家生，封志鵬. 紅砂巖粗粒土流變工程特性試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2007，26(3) : 601 ～ 607.

[3] 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): 1 179 ～ 1 184.

[4] 周 偉,常曉林.基于冪函數流變模型的高混凝土面板壩流變分析[J].水力發電學報，2006，25(1):15～18.

[5] 鄧 剛,徐澤平,呂生璽,等. 狹窄河谷中的高面板堆石壩長期應力變形計算分析[J].水利學報，2008，39(6):639～646.

張蜀豫(1984- )，男，四川成都人，助理工程師，學士，從事水電工程建設管理工作；

段 斌(1980- )，男，四川北川人，高級工程師，博士，從事水電工程建設技術及管理工作；

唐茂穎(1980- )，男，四川仁壽人，高級工程師，在讀博士研究生，從事水電工程建設技術及管理工作；

李 鵬(1980- )，男，湖北荊門人，高級工程師，在讀博士研究生，從事水電工程建設技術及管理工作；

王觀琪(1978- )，男，湖北竹溪人，教授級高級工程師，碩士，從事水電工程設計工作.

(責任編輯：李燕輝)

2017- 03- 10

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1001- 2184(2017)04- 0071- 04