在流變效應影響下的面板砂礫石壩特性分析

徐 晶

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

在流變效應影響下的面板砂礫石壩特性分析

徐 晶

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

面板壩具有適應性好，抗震性強等優點，目前在新建和擬建的高壩中占有很大比例，隨著砂礫石等材料的上壩，應用范圍更為廣泛。文章在研究面板砂礫石壩流變影響的基礎上，進行防滲面板的有限元分析，總結出應力變形規律，所獲成果可以為高面板砂礫石壩的流變效應研究提供必要的理論依據，對類似工程的設計運行具有一定的參考價值。

面板壩；流變效應；有限元分析；應力變形；規律

0 前 言

面板砂礫石壩的特點是大部分填筑料直接取自當地天然材料—砂礫石，并經過振動碾壓而成。相比于堆石材料，使用砂礫石料填筑壩體可以充分發揮其材料本身的高變形模量和易壓實特性[1]，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在降低開采難度的同時也節約了工程的成本。相比于其他筑壩材料，使用砂礫石填筑面板壩的優越性還是非常明顯的，因此隨著人們的理論研究水平和筑壩經驗不斷提升，高壩大庫將會成為未來建設的主流趨勢。

目前主要是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，在壩高比較低時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，目前，關于面板壩流變效應的研究主要通過建立在試驗基礎上的本構模型關系式來實現的，并對具體實例進行有限元模擬以驗證其本構關系的合理性。目前國內外研究的流變模型基本上都是以三參數流變模型為基礎，所不同的是僅對高圍壓進行了修改。但一般情況下試驗時間與真實情況相差比較大，因此從流變效應產生的原理出發，本構模型的選取至關重要。

1 基于流變效應的面板砂礫石壩有限元分析

1.1 流變效應產生原理

我國部分己建面板壩的沉降觀測分析，壩體在施工完成后仍會產生一定程度的沉降，其沉降量約為整個壩高的0.1%，經分析研究其中0.05%的沉降量是由填筑料的流變效應所引起的。由于在澆筑混凝土面板時壩體已經壓實，則在流變變形作用下面板存在被壓碎破壞的風險。

砂礫石料的流變特性從原理上講十分復雜，主要變形階段分為外力和流變變形。外力階段是在碾壓作用下填筑料由松散的顆粒狀態逐漸轉化為密實狀態，這個過程中顆粒結構重新組合，孔隙率降低。第二階段是工程竣工后，大壩隨時間效應關系顆粒間相互擠壓作用導致結構組合，大壩結構體收到一定程度的影響，最終達到穩定[2]。故流變效應表現為壩體內部顆粒運動組合，進而應力重新組合，最終在一定時間穩定后壩體變形量趨于穩定。

1.2 流變效應研究方法

根據彈塑性力學的理論，材料的應力應變關系完全取決于荷載的施加過程，實際工程中，除了上述影響外還受到材料的應力歷史的制約，即為流變特性。填筑料流變效應的性質主要體現以下幾種：

1)蠕變(流變)特性，即在保持不變的荷載作用下，材料的變形隨時間增長的過程。

2)應力松弛，即在應變不發生改變時，應力隨時間衰減的過程。

3)黏滯特性，在一定的時長范圍內，材料應變的速度隨應力發生改變過程。

4)長期強度，填筑料的相關參數在荷載下隨時間增長而發生變化的過程。

填筑料的蠕變性在實際情況中主要由加荷后的瞬時彈性變形和與時間有關的變形組成的。通過三軸壓縮、扭轉彎曲試驗可以得出材料在長期不變荷載作用下的典型蠕變曲線，如圖1所示。

圖1 典型蠕變曲線

圖Ⅰ所示為材料的衰減蠕變曲線，其變形速率隨時間t的發展而逐漸減小，最后無限接近于一個穩定值γ∞，其中γ∞的大小與加荷水平、材料本身性質及圍壓有關。

圖Ⅱ所示為材料的非衰減蠕變曲線。試驗中材料在初始加荷時即發生一定的瞬時彈性應變γ0，若保持荷載不變，將會得到蠕變曲線，主要包括為3個階段：

第1階段：即衰減段(AB段)，其變形速率呈遞減趨勢。若在E點處突然卸荷，回彈曲線首先會沿著瞬時彈性應變的軌跡(EF段)下降，直至為零，體現出材料的滯彈性。

第2階段：即穩定蠕變段(BC段)，其變形速率基本保持不變。如果在H處突然卸荷，回彈曲線將會沿HIJ軌跡下降并最終得到一定的永久應變γp。

第3階段：即加速蠕變段(CD段)，其變形速率呈迅速遞增趨勢，并最終到達D點處材料產生破壞。本階段的CP曲線代表材料的塑性繼續發展但未破壞。

目前研究成果表明，相同種類的材料，荷載施加大小與穩定蠕變階段的時間呈反比關系，導致加速蠕變的加快發生。極限應力水平決定材料蠕變類型。

1.3 有限元分析本構模型

砂礫石料的流變作用主要是由于材料間發生破碎和滑移所引起的。材料的流變變形發展還與所處的應力環境密切相關，且變形量隨荷載增加呈現出非線性關系，故根據試驗建議將材料的最終體積流變量εvf修改成：

(1)

材料最終剪切流變γf修改成：

(2)

經過改進后的模型共計包含α、b、c、d、m1、m2、m3七個參數，故稱七參數流變模型[3]。鑒于此模型在實際流變過程中的貼切性，當前研究技術較成熟。因此，文章有限元計算參數模型選用七參數模型。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水利樞紐位于西北省份的寶庫河上，總庫容1.94億m3，電站總裝機15MW，工程規模屬大(2) 型水利樞紐工程。大壩最大高度為122.6m，總填筑量569萬m3，其中砂礫石料約為436萬m3，壩頂高程2895.8m，正常蓄水位為2888.2m，壩頂長413m。主要建筑物包括大壩、左岸發電洞、溢洪道以及電站廠房等組成[4]。面板砂礫石壩標準剖面圖見圖2。

圖2面板砂礫石壩標準剖面圖

2.2 有限元模型

有限元模擬范圍取為：基巖面豎直向下，上、下游到趾板頂端和兩岸岸坡基巖面，各取一倍壩高。施加約束：底部基巖面為鉸約束，左、右岸坡為法向約束。有限元模型單元結構為六面體八節點單元為主，四面體四節點單元為輔的單元形式。最終進行單元剖分共產生得到單元5763個，節點6835個。

2.3 計算參數

結合類似工程經驗，墊層料、過渡料、堆石料區采用鄧肯張E-B模型[5]，面板、趾板結構和基巖采用線彈性模型。

表1 大壩填筑料的E-B模型參數

表2 線彈性材料參數

2.4 計算結果

1)不考慮流變效應的混凝土面板在蓄水期的應力變形等值線結果圖見圖2-5：

圖3 蓄水期混凝土面板的水平向位移等值線圖

圖4 蓄水期混凝土面板的撓度等值線圖

圖5 蓄水期混凝土面板的順坡向應力等值線圖

圖6 蓄水期混凝土面板的壩軸向應力等值線圖

由以上計算結果可得出：蓄水期混凝土面板水平位移均趨向面板中部，指向左、右岸的水平值分別為0.043m 和0.034m，最值基本位于上部面板的岸坡位置處；混凝土面板的撓度最大值0.278m，發生于中上部面板處。面板應力分布中順坡向壓應力最值為5.920MPa，大致位于1/3壩高處，拉應力局部存在于面板上部位置處；壩軸向的最大壓應力值為7.023MPa，大致位于壩高1/2處，此項應力以壓應力為主，局部拉應力產生位置在面板頂部處。

2)考慮流變效應的混凝土面板在蓄水期的應力變形等值線結果圖見圖6-9：

圖7 蓄水期混凝土面板的水平向位移等值線圖

圖8 蓄水期混凝土面板的撓度等值線圖

圖9 蓄水期混凝土面板的順坡向應力等值線圖

圖10 蓄水期混凝土面板的壩軸向應力等值線圖

由以上結果可得知：計入材料的流變影響后，蓄水期混凝土面板的水平位移最大值左、右岸為0.047m和0.046m，相比未考慮流變效應變化幅度不大，表明壩體填筑料已完成流變變形而趨于穩定。面板均沿堆石體向河谷中央滑動，因此需要在兩岸岸坡處設置張性垂直縫，在河谷中央處設置壓性垂直縫，以防面板破壞。面板的撓度最值為0.322m，大致位于面板的中上位置處，對比得知，撓度相比不考慮流變時增大14.2%。由圖3-8可以得知，面板的順坡向應力以壓應力為主，分布趨于扁平變化，最大值為6.225 MPa，對比得知發生位置基本相同，面板頂部處局部產生拉應力分布區；壩軸向壓應力最值為7.890 MPa，與不計入滲流效應時位置相似。面板應力的結果趨勢和壩軸向位移所呈現的結果是相互對應的。對比得知，蓄水期順坡向應力的最值比未考慮流變增大13.3%，壩軸向應力增大了19.5%。

通過以上分析認為，面板砂礫石壩的應力變形分析中考慮流變效應的必要性，為防止面板破壞導致大壩安全穩定，在設計工作中需充分考慮材料的流變特性。

3 總 結

文章在材料的流變特性對面板砂礫石壩應力變形規律的影響基礎上，介紹了面板砂礫石壩結構靜力分析的基本理論和材料本構模型，結合工程實例，運用有限元軟件進行流變效應模擬分析，獲取在蓄水期面板的應力變形成果。結果表明大壩在計入流變因素后，面板的應力變形量均有不同程度的增加，完成流變變形后逐漸趨于穩定，大壩整體處于比較安全的范圍。

[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]梁軍.高面板堆石壩流變特性研究[D].南京:河海大學,2003.

[3]何輝.面板堆石壩應力變形特性分析與程序設計[D].天津:天津大學,2005.

[4]李國英,米占寬,傅華,等.混凝土面板堆石壩堆石料流變特性試驗研究[J].巖土力學,2004,25(11):1712-1716.

[5]沈珠江,趙魁芝.堆石壩流變變形的反饋分析[J].水利學報,1998(06):1-6.

CharacterAnalysisofSlabSandy-gravelDamimpactedbyRheologicalResponse

XU Jing

(Heilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Project Limited Company,Harbin 150080,China)

Plate dams have the advantages of good adaptability and strong vibration resistance and account for a large proportion in new and proposed dams presently, and will be applied widely with the sandy gravel used on the dam. According to the study on rheological response of face sandy gravel dam, this paper conducts finite element analysis for impervious face slab and gets the law of stress deformation,and the results obtained will provide necessary theoretical accordance for the rheological response from high face slab sandy-gravel dam, meanwhile, having certain reference value for similar project design and operation.

plate dam; rheological response;finite element analysis method;stress deformation; law

TV641.4

B

1007-7596(2017)09-0062-03

文章編號：1007-7596(2017)09-0035-03

2017-08-16

徐晶(1982- )，女，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，從事水利工程施工管理工作。