河谷坡度對高面板堆石壩應力變形特征的影響

甘 磊,沈振中,肖鈞升,張開來

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 3上海核工程研究設計院,上海 200233)

河谷坡度對高面板堆石壩應力變形特征的影響

甘 磊1,2,沈振中1,2,肖鈞升3,張開來1,2

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 3上海核工程研究設計院,上海 200233)

以瑪爾擋水電站面板壩工程為例,建立了不同河谷坡度方案下的面板壩三維有限元模型,研究不同河谷坡度下高面板堆石壩壩體的靜動位移和應力分布情況,分析了河谷坡度對壩體應力變形特征的影響,探討了地震工況下河谷坡度對壩體結構穩定性的影響。結果表明:河谷坡度為50°時堆石體內部將會出現較明顯的應力拱效應現象,河谷邊坡陡緩臨界值近似為50°;壩體沉降與坡度變化之間呈負相關關系;地震作用未對拱效應存在下的壩體產生顯著的不利影響。

高面板堆石壩;河谷坡度;拱效應;有限元;地震

混凝土面板堆石壩是以混凝土面板為防滲主體并通過堆石體受力的一種土石壩[1]。隨著壩工技術的發展[2-3],堆石體變形過大的問題得到解決,促使一大批100～300 m級的高堆石壩建設進入快速發展階段[4-5]。一般大壩正常的安全運行可以得到保障，然而我國高堆石壩建設主要位于西南強震區域,且建造于狹窄河谷地帶,其壩體結構安全和穩定性問題更為突出。因此,研究河谷坡度對高面板堆石壩壩體的應力和變形分布的影響,探討地震工況下河谷坡度對壩體結構穩定性的影響具有重要的工程研究意義。

針對狹窄河谷中的高面板壩堆石壩,徐澤平等[6]基于洪家渡面板堆石壩,研究了狹窄、不對稱河谷地形條件下高面板堆石壩在施工期和蓄水運行期的應力和變形分布規律；朱晟等[7-8]結合一座擬建中的河谷寬高比為1.88的高面板堆石壩(高225 m),研究了狹窄河谷的拱效應對大壩的變形和應力的影響；黨發寧等[9]提出用河谷寬度系數、邊坡陡緩系數和非對稱系數3個動態參數來描述河谷的幾何特性,分析了河谷形狀參數對面板堆石壩變形特性的影響；狄文龍等[10]針對建造于狹窄河谷中的拉哇面板堆石壩,進行拱效應機理及三維有限元分析,研究了河谷寬高比對高堆石壩拱效應的影響情況。河谷形狀是混凝土面板堆石壩拱效應產生的主要原因,程嵩等[11-13]研究了河谷地形、河谷寬高比等對面板堆石壩應力應變特征的影響。但以上研究大部分是基于靜力作用開展的壩體應力和變形分析,未討論地震作用對拱效應[14]存在下的壩體的應力變形的影響情況。

本文在對瑪爾擋水電站面板壩有限元分析的基礎上,建立狹窄河谷中的普遍面板壩模型,通過三維有限元數值計算,研究靜動力情況下大壩在不同河谷坡度方案下的位移、應力分布,分析河谷坡度的陡緩程度對壩體應力變形特性的影響,確定狹谷中面板壩內部出現應力拱效應現象的極限河谷坡度,探討地震工況下不同河谷坡度對壩體結構穩定的影響。

圖1 壩體材料分區(單位：m)

1 工程概況

瑪爾擋水電站以發電為主,為大(1)型水電工程,水庫正常蓄水位為3 275.00 m,相應庫容為15.02億m3,水電站裝機容量為2 200 MW,多年平均發電量為72.39億kW·h。樞紐工程主要包括混凝土面板堆石壩、右岸3孔溢洪道+1孔泄洪洞和右岸地下廠房等。

混凝土面板壩最大壩高211 m左右,壩頂長約359.9 m,頂寬12 m,上游坡度為1∶1.4,下游壩坡1∶1.61,最大底寬630.0 m。壩體填筑主要分為8個區。兩岸面板塊間距為6 m,其余面板縫間距為12 m。大壩標準剖面如圖1所示。

2 計算模型和參數

2.1 有限元模型

壩體單元、壩基及兩岸采用超單元自動剖分形成有限元網格,離散后三維有限元模型節點總數為26 152個,單元總數為24 996個,三維有限元模型如圖2所示。計算模型邊界截取如下:①左、右壩端分別向外延伸400 m作為兩岸邊界;②河床最大橫斷面上下游坡腳分別向上下游延伸2倍壩高(約500 m)作為上下游邊界;③基巖往下1.5倍壩高(約300 m)取作模型底邊界。計算坐標系規定為:坐標零點定為右壩肩壩軸線處;順河向為x軸,指向下游為正;y軸為壩軸線向,指向左岸為正;垂直向為z軸,向上為正,并與高程保持一致[12]。

圖2 三維有限元模型

2.2 荷載分級

計算考慮面板的布置與分級加載,模擬壩體逐層澆筑以及面板施工與蓄水過程等。壩體施工及蓄水過程共分21級,具體如表1所示。

表1 分級加載及蓄水過程

2.3 計算參數

壩體堆石料及壩基覆蓋層靜力計算采用鄧肯-張(E-B)模型,計算參數如表2所示,混凝土及基巖的參數采用線彈性模型,計算參數見表3。

動力計算假定堆石體為黏彈性體,采用等效剪切模量G以及等效阻尼比λ體現土的動應力應變關系的非線性和滯后性兩個基本特性[15],動力特性參數如表4所示。表中ρ為密度；c為黏滯力；φ為內摩擦角；Δφ為內摩擦角修正；K為初始彈模基數；kur為卸荷模量基數；n為初始彈模指數；Rf為破壞比；kb為體積模量基數；m為體積模量指數。

表2 堆石料及覆蓋層靜力計算參數

表3 混凝土與基巖參數

表4 壩料最大動剪模量試驗參數

地震反應計算考慮了正常蓄水位疊加校核地震工況,順河向、壩軸向和垂直向同時輸入地震加速度,水平向地震峰值加速度為0.363g,地震動反應譜特征周期為0.45 s,其水平向輸入的地震加速度時程曲線如圖3所示,壩軸向和垂直向地震加速度取為水平向的2/3。

圖3 水平向輸入的地震加速度時程曲線(校核工況)

3 計算成果分析

3.1 河谷坡度對壩體主應力的影響

圖4 壩軸線剖面第一主應力等值線分布(單位:kPa)

假定河谷底寬和河谷深度不變,分別為48 m和211 m,變化河谷坡度,對稱分布,分析河谷坡度α分別為30°、40°、50°、60°和70°時,大壩應力分布情況。圖4為壩體壩軸線斷面第一主應力等值線分布圖，可以看出,堆石體的應力等值線分布隨著河谷坡度的改變而有所不同。在河谷坡度為30°時,堆石體的第一主應力等值線基本為水平向分布,最小值出現在壩頂,主應力大小隨著深度的增大而有所增大并在壩體底部出現最大值,但壩體底部并未產生應力拱效應,應力狀態良好。在河谷坡度為40°時,壩體堆石體的主應力分布規律與30°時分布規律基本一致,只是第一主應力最大值有所減小,壩體底部仍未產生應力拱效應。當坡度增至50°時,堆石體的應力等值線分布規律與40°時有顯著的不同,上部堆石體內第一主應力等值線依舊為水平向分布,其數值隨深度增大而逐漸變大,下部堆石體內第一主應力等值線分布發生了明顯的凹型彎曲,堆石體內部最大第一主應力有所減小,壩體底部開始出現拱效應。當河谷坡度為60°和70°時,下部堆石體內應力等值線分布彎曲程度更為強烈,已出現了比較明顯的拱效應現象,并且在河谷坡度逐漸增大的過程中,壩體底部的應力拱效應也越來越強。

圖5給出了堆石體最大第一主應力以及最大第一動主應力與河谷坡度的關系曲線,由圖5可知,隨著河谷坡度的逐漸增大,堆石體內部最大第一主應力逐漸減小,在地震作用下,由于兩岸山體的約束作用,隨著河谷坡度的逐漸增大,堆石體內部最大第一動主應力有所增大,但數值與第一主應力相比均不大。另外,在河谷較陡的情況下,大壩堆石體與兩岸山體接觸面的應力集中現象比較明顯。

圖5 堆石體主應力與河谷坡度關系曲線

計算表明,在α=50°的情況下,壩體堆石體內部將會出現比較明顯的應力拱效應現象。河谷坡度較緩時,壩體應力呈水平向分布,幾乎不會出現拱效應;當α>50°時,大壩堆石體內部易產生拱效應,且坡度越陡,拱效應現象越明顯。

3.2 河谷坡度對壩體位移的影響

3.2.1 順河向位移

圖6為壩體順河向最大位移及最大動位移和河谷坡度之間的關系曲線。隨著河谷逐漸變陡,堆石體最大位移逐漸變小,隨著河谷坡度從30°增加到70°,壩體傾向上游側位移從307.3 mm減小到129.7 mm,傾向下游位移從758.0 mm減小到436.8 mm,表明堆石體傾向上游的水平位移值均小于傾向下游的水平位移值,且水平位移的極大值均發生在約1/2最大壩高處并且靠近壩體上下游側表面。在地震作用下,隨著河谷逐漸變陡,順河道方向堆石體最大動位移從201.9 mm減小到103.6 mm。

圖6 壩體順河向位移與河谷坡度的關系曲線

從圖6可看出,隨河谷坡度的增大,兩岸巖體對大壩堆石體的位移約束有所增強,導致順河向最大位移隨著邊坡變陡而逐漸減小。地震工況下,順河向最大動位移隨河谷坡度增大而減小,與順河向最大位移相比,動位移數值均較小。由于陡河谷邊坡的約束影響,壩體在前期運行以及地震期間的順河向位移均較小,一定程度上導致在長時間的運行過程中,壩體堆石體的沉降量會隨時間而有所增大。

3.2.2 壩軸線向位移

圖7為壩軸線向堆石體最大位移及最大動位移與岸坡坡度之間的關系曲線。由圖7可知,堆石體軸線向位移等值線分布在河谷左右岸基本對稱,其數值大小從兩岸往河谷中心逐漸減小,隨河谷坡度逐漸變陡,堆石體壩軸線向位移極值逐漸變小,在河谷坡度從30°增至70°過程中,壩軸線向最大位移從282.4 mm減小到191.9 mm;隨岸坡坡度逐漸變陡,壩軸線向堆石體最大動位移也有所減小,從132.4 mm減小到46.0 mm。在河谷邊坡較緩的情況下,軸線向堆石體位移變化幅度較小,在河谷邊坡坡度較陡的情況下,壩體軸線向位移變化幅度較大,說明在陡河谷邊坡情況下兩岸巖體對壩體的約束力較強。

圖7 壩軸線向位移與河谷坡度的關系曲線

3.2.3 垂直向位移

圖8 壩體垂直向最大位移與河谷坡度關系曲線

圖8為壩體垂直向最大位移和地震永久沉降與河谷坡度的關系曲線,由圖8可知,在河谷坡度變化過程中,堆石體垂直向位移等值線分布隨河谷坡度變化改變不大。壩體垂直向最大位移與河谷坡度接近為線性關系,坡度越大,面板壩兩岸巖體對堆石體沉降的抑制作用也越明顯,從而導致最大沉降量減小。沉降極大值均出現在堆石體中部約0.5倍最大壩高處。各河谷坡度方案下壩體最大沉降量有所不同,隨河谷坡度的增大,堆石體沉降量極大值有所減小,最大值從1 632.4 mm減小到1 250.1 mm,表明堆石體的沉降大小受岸坡坡度的變化影響較大。壩體垂直向最大位移與河谷坡度接近為線性關系,坡度越大,面板壩兩岸巖體對堆石體沉降的抑制作用也越發明顯,從而導致最大沉降量減小。

3.3 河谷坡度對壩體穩定性的影響

3.3.1 地震永久變形

大壩地震永久變形分布規律隨河谷坡度變化改變不大,永久變形極大值均出現在河床斷面接近壩頂處,但各個方案下壩體地震永久沉降量受坡度影響而有所變化。圖9為壩體地震永久變形極值與河谷坡度的關系曲線,由圖9可知,隨著河谷坡度從30°增至70°,壩體最大永久沉降量逐漸減小,從1 255.8 mm減小到824.4 mm,以最大壩高為211 m計算,對應的沉陷率從0.60%減小到0.39%,均小于最大壩高的1%。

圖9 壩體地震最大永久沉降與河谷坡度關系曲線

隨河谷逐漸變陡,地震永久沉降量有所減小,在河谷坡度較緩時,地震永久沉降量變化趨勢較緩,在河谷坡度較為陡峭時,永久沉降量變化幅度較大,這是由于在河谷坡度較陡時,兩岸巖體對壩體的約束力也逐漸增強,阻礙了地震期間壩體的沉降,根據地震中壩體最大永久沉降與最大壩高的比值來進行判別壩體穩定性時,無論河谷坡度大小,壩體沉陷率均小于最大壩高的1%,表明壩體在地震工況下均處于穩定狀態。

3.3.2 可靠度動力安全系數

為了能夠較好地考慮地震過程中壩坡的穩定性,分析在地震過程中壩坡發生動力破壞的概率,采用可靠度動力安全系數法[16]對壩坡在地震工況下的穩定性進行計算分析,同樣為安全起見,將面板壩失效的概率取為0.01,計算成果見表5。

表5 不同河谷坡度方案下壩體下游坡可靠度安全系數

從表5可知,隨著河谷坡度的增大,地震期間下游坡滑塊的平均安全系數有所增大,μF從1.430增加到1.544,各方案下的動力安全系數概率分布均近似呈正態分布,但隨著坡度的增大,概率分布逐漸分散,標準差σF從0.123增加到0.197,從而導致可靠度動力安全系數FR隨著坡度增大反而略有減小,從1.143減小到1.085,但各方案下的可靠度動力安全系數均大于1.0,表明在地震期間壩體下游坡均能滿足穩定要求,地震作用未對拱效應存在下的壩體產生顯著的不利影響。

4 結 論

a. 河谷坡度的大小會對壩體主應力產生一定的影響。隨坡度的逐漸增大,堆石體最大第一主應力有所減小,最大第一動主應力有所增大;坡度較緩時,壩體應力呈水平向分布,幾乎不會出現拱效應,陡河谷條件下壩體內部易產生應力拱效應,且拱效應現象在坡度越陡的情況下表現越強烈,河谷邊坡陡緩臨界值近似為50°。

b. 隨著河谷坡度的增大,順河向壩體水平位移以及地震工況下的動位移均有所減小;壩軸向堆石體位移有所減小,且其受影響程度隨邊坡變陡而有所增大;壩體最大沉降值與河谷坡度變化之間呈負相關關系。

c. 壩體最大地震永久沉降量隨河谷坡度的增大逐漸減小,沉陷率從0.60%減小到0.39%,可靠度動力安全系數隨坡度增大從1.143減小到1.085,各工況下壩體穩定均能滿足要求,地震作用未對拱效應存在下的壩體產生顯著的不利影響。

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Effectofvalleyslopesonstressanddeformationcharacteristicsofahighconcretefacerockfilldam

GAN Lei1,2, SHEN Zhenzhong1,2, XIAO Junsheng3, ZHANG Kailai1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 3.ShanghaiNuclearEngineeringResearchandDesignInstitute,Shanghai200233,China)

Arching effects easily occur for a concrete face rockfill dam (CFRD) built in a narrow valley. In this paper, the Maerdang power station engineering was used for a case study. 3D finite element models of the CFRD under different valley slope schemes were established. Distributions of the static and dynamic displacement, stress of the dam under different slope angle schemes were obtained by finite element (FE) analysis. In addition, the effect of slope angles on the stress and deformation characteristics of the dam was analyzed. Meanwhile, the influence of the valley slopes on the structure stability of the dam under earthquake action was studied. Results indicate that the valley slope is approximately 50°when evident stress arch effect occurs inside the rockfill of the dam so that the critical angle of the valley should be 50°. A negative correlation is observed between the slope angles and the dam settlement. In the situation of arching effect, the earthquake action has no significant negative effects on the dam.

High CFRD; valley slopes; arching effect; FE; earthquake

國家自然科學基金(51609073);中央高校基本科研業務費專項(2014B11914);江西省水利科技項目(KT201545)

甘磊(1987—),男,講師,博士,主要從事水工結構穩定分析和安全評價研究。E-mail: ganlei2015@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.014

TV331

：A

：1006-7647(2017)05-0078-06

2016-09-05 編輯：鄭孝宇)