芻議面板堆石壩流變分析與預沉降時間措施

段武

摘 要：堆石體變形控制是保證面板堆石壩防滲體系安全的重要措施，變形控制的重點在于控制面板澆筑后的堆石體變形，預沉降是重要工程措施之一。基于此，本文主要分析了面板堆石壩流變分析與預沉降時間措施。

關鍵詞：面板；堆石壩流變；預沉降時間；措施

一、面板堆石壩流變分析

（一）計算網格

參照壩體的施工及蓄水過程進行三維模擬，以壩橫0±000.00m為X軸，以壩軸0±000.00m為Z軸，豎直方向為Y軸，豎直方向坐標采用實際高程坐標，建立直角坐標系。根據該面板壩基礎開挖圖、壩軸線橫剖面圖以及實際的壩料分區情況，面板中部沿壩軸線方向每隔12m取一個斷面，靠近岸邊部位分隔加密而建立幾何模型，將整個壩體沿壩軸線劃分35個斷面。整個面板壩被分為6188個單元，6812個結點。

（二）計算模型參數

本節計算中，堆石料本構模型采用鄧肯張E-B模型，其參數C、φ0、Δφ、K、n、Rf、Kb、m、Kur、nur由常規三軸試驗數據整理回歸得到。流變計算則選用增量流變模型，其參數由類比已有面板壩工程的流變參數得到；另外，混凝土采用彈性模型，面板與墊層間、面板接縫均設置接觸面軟單元。

（三）計算工況

本次計算根據壩體實際填筑與蓄水過程進行仿真加載，考慮水荷載是在壩體填筑完成并達到穩定變形后進行。主要分析正常蓄水位工況（自重+水壓力+浪壓力，上游水位從295.0m起算，按每10m一級逐步增加至正常蓄水位355.0m）下壩體及面板的變形應力情況。

（四）成果分析

1、堆石流變對壩體變形應力的影響。考慮堆石料的流變效應，蓄水期壩體沉降67.30cm，相比不考慮流變時增加8.70cm，流變變形占總變形約八分之一；水平向下游位移達到37.40cm，比不考慮流變稍微增加。另外，較不考慮流變情況下，大主應力變化規律及極值變化較小，而小主應力略有松弛。總體上，符合流變現象中堆石體蠕變、應力松弛的規律。

2、堆石流變對面板變形應力的影響。考慮堆石流變效應后，面板最大撓度23.35cm，較不考慮流變時增加3.15cm；面板壩軸向位移也有所增大。水庫蓄水，在水壓力作用下，面板絕大部分區域為受壓狀態，而在面板端部及兩岸存在局部拉應力區，部分區域拉應力較大。考慮堆石的流變特性，面板順坡向最大壓應力及拉應力值分別為6.07MPa與2.03MPa；壩軸向最大壓應力與拉應力值分別為1.84MPa與1.37MPa，均較不考慮流變效應計算結果偏大。由此可見，考慮堆石體流變后，面板變形和應力總體上均有所增加，這與混凝土彈性材料的線彈性應力應變規律相吻合。

二、不同預沉降時間影響分析

為了減小流變變形對面板應力變形的影響，實際工程施工中一般會采取一定的預沉降時間。研究壩體填筑完成后不同預沉降時間的影響是選擇預沉降時間的關鍵，本文進一步計算了預沉降時間分別為60天、120天、180天和360天的施工期方案。

如圖1給出了計算得到的5種不同的施工期方案壩體沉降最大值增量隨時間變化的曲線，壩體沉降最值增量由運行期的最值減去相應蓄水完成期的最值得到，各種施工方案壩體沉降增量均隨著運行時間增加而增大；由相關數據可以看出，預沉降時間較長的施工方案運行期流變變形較小，引起的壩體沉降增量也較小。

從其他數據分析，并給出不同的施工方案的面板撓度隨時間變化曲線，各種方案的面板撓度均隨著運行時間逐漸增加，而預沉降時間較長的施工方案運行期流變變形較小，運行期的面板撓度也就越小。不同施工方案計算得到流變變形對面板應力影響規律與上一節類似，但面板應力大小受預沉降時間的影響較大。由相關數據可以看出，不同施工方案面板順坡向和水平向應力最值，可以看出預沉降時間越長，面板的壓應力最值越小，對面板的安全性也越有利。

三、預沉降時間選擇的探討

由上述計算成果可知，預沉降時間越長，面板施工完成后的壩體流變變形就會越小，對面板應力和變形的影響也就越小，從應力和變形的角度來說大壩也就越安全。然而，預沉降時間越長會導致施工期變長和工程投資的相應增加。因此，在確保大壩應力變形安全的前提下，應選擇對施工和工程投資有利的預沉降時間。從變形速率看，見圖1，當預沉降時間為120天時，面板澆筑后100天內的壩體沉降速率約為6mm/月，且變形速率已趨于收斂，從這個角度來說，預沉降時間不小于120天是合適的。從沉降量來看，預沉降時間小于180天時，大壩沉降和面板應力最大值隨預沉降時間增加顯著減小；而預沉降時間大于180天時，這種變化則不太明顯，所以選擇預沉降時間不需大于180天。根據實際工程需要，對于積石峽面板堆石壩，選擇120天-180天的預沉降時間均是可行的。

參考文獻：

[1]黃耀英，田斌，沈振中.基于工程類比法的面板堆石壩流變變形反饋[J].中國科學：技術科學，2015，04：434-442.endprint