基于參數(shù)反演法面板堆石壩長期運行變形分析

韓 勇

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002）

1 工程概況

水布埡面板堆石壩位于湖北省恩施州巴東縣境內(nèi)的清江中游河段，是清江干流三級開發(fā)的龍頭水利工程，具有發(fā)電和防洪等綜合效益。水布埡壩址上距恩施市117km，下距清江第二梯級隔河巖電站92km。水庫的正常蓄水位高程400m，大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程409m，最大壩高233m，最大壩前作用水頭222m，其壩高和壩前水頭在國內(nèi)外同類型已建、在建大壩中居首位。左岸溢洪道最大下泄流量18280m3/s，相應單寬流量204m3/（s·m）。 右岸引水式地下電站裝機4臺，總裝機容量1840MW，年平均發(fā)電量39.84億kW·h。

2 壩體三維模型

根據(jù)水布埡面板堆石壩壩體幾何參數(shù)和周圍山體地形地質(zhì)資料，建立面板堆石壩三維數(shù)值計算模型。三維網(wǎng)格主要采用八節(jié)點六面體等參元，為了適應基巖不規(guī)則邊界，局部將六面體單元退化為五面體甚至四面體單元，大壩的三維計算模型有限元網(wǎng)格如圖1。

圖1 大壩三維計算模型網(wǎng)格

3 運行期壩體各部分材料變形參數(shù)樣本構(gòu)造

為了反演壩體堆石料在運行期間各堆石體材料的流變參數(shù)，以壩體運行期的變形實測值為依據(jù)，通過流變模型的9個參數(shù) （c，d，η，m，cα，cβ，dα，dβ，λv）對流變位移變化的試算及敏感性分析[1]，確定壩體填筑堆石料經(jīng)過參數(shù)敏感性分析，確定c，η，cα，cβ，λv5個參數(shù)作為流變敏感參數(shù)進行反饋分析。參與反演的各堆石料流變參數(shù)的取值范圍如表1，參與反演的各堆石料變形參數(shù)取值水平如表2。

表1 各堆石料變形參數(shù)取值范圍

表2 各堆石料流變變形參數(shù)取值

4 運行期堆石體變形參數(shù)反演結(jié)果

對樣本的處理，首先將所選樣本的數(shù)據(jù)標準化區(qū)間為[0.1，0.9]的數(shù)據(jù)。

標準化算法如式（1）[2]：

式中 x′i為被標準化后的數(shù)據(jù)；xi為初始數(shù)據(jù)，i=1，2，…，n，其中n為所選樣本的個數(shù)；xmin=min{xi}，xmax=max{xi}。

最優(yōu)神經(jīng)網(wǎng)絡模型的搜索，所用的檢驗誤差函數(shù)如式（2）：

式中 fi（X）是所選樣本i（i=1，…，n）的網(wǎng)絡輸出；ui為所選樣本i的期望輸出；n為所檢驗樣本的總個數(shù)。

借助神經(jīng)網(wǎng)絡—遺傳優(yōu)化算法，可以在指定范圍內(nèi)來進行搜索和計算，從而得出大壩堆石體的最優(yōu)變形參數(shù)[3]。壩體各堆石體變形參數(shù)反演結(jié)果如表3。

表3 堆石體流變變形參數(shù)反演結(jié)果

續(xù)表3

5 壩體長期流變計算分析

5.1 應力計算分析

5.1.1 堆石體應力

大壩在竣工結(jié)束5年后，壩體的最大應力出現(xiàn)在壩底中部略偏上游，其中壩體第一主應力最大值3.90MPa（如圖2），第三主應力最大值4.80MPa（如圖3）。

圖2 壩體第一主應力分布

圖3 壩體第三主應力分布

5.1.2 面板應力

大壩在竣工結(jié)束5年后，面板壩軸向壓應力最大值0.3MPa，拉應力最大值0.5MPa，具體如圖4。面板順坡向壓應力最大值1.84MPa，拉應力最大值0.25 MPa，具體如圖5。

圖4 面板壩軸向應力分布

圖5 面板順河向應力分布

5.2 位移計算分析

5.2.1 堆石體變形

大壩運行到竣工期結(jié)束5年后，壩體最大的壩軸向位移0.83m（如圖6）；順河向位移最大值1.0m（如圖7）；壩體垂直沉降位移最大值2.50m（如圖8）。

圖6 壩體軸向位移分布

圖7 壩體順河向位移分布

圖8 壩體豎向位移分布

5.2.2 面板變形

大壩運行到竣工期結(jié)束5年后，面板最大的壩軸向位移500mm（如圖9）；順河向位移最大值2100mm（如圖10）；面板沉降位移最大值1900mm（如圖11）。上游壩坡內(nèi)側(cè)流向（撓度）-23.0。

圖9 面板壩軸向位移分布

圖10 面板順河向位移分布

圖11 面板豎向位移分布

5.2.3 縫的變形

通過對壩體長期應力應變計算結(jié)果進行分析，大壩運行到竣工期結(jié)束5年后，河床部位的垂直縫是壓縫，靠近兩岸壩肩有部位是拉縫，最大張拉值達10.8mm，出現(xiàn)在右岸壩肩處。面板順坡向橫剪變形主要發(fā)生340.0m高程以下面板之間，量值在0～10.0mm范圍；面板法向豎剪變形大多數(shù)部位接近于零，僅在靠近基巖的面板底部存在部分變形，剪切最大值25.7mm，沉降最大值30.2mm。各接縫的面板周邊縫的張開變形、垂直剖面方向的沉陷變形、沿周邊縫切向的剪切錯動變形極值如表4。

表4 位移極值 單位：mm

6 結(jié)語

通過對大壩堆石體及面板在運行期的應力應變分析成果，可以看出大壩在竣工后經(jīng)過一段時間的運行，壩體的整體發(fā)生了一定沉降變形，面板垂直縫也出現(xiàn)了張拉、剪切錯動及沉降變形，周邊縫及之水部位也相應出現(xiàn)了一定變形。鑒于以上出現(xiàn)的情況，為了保證整個大壩在運行期的穩(wěn)定運行，需要注意以下幾個方面：

（1）由于大壩在竣工后大壩整體的沉降變形尚未穩(wěn)定，在運行期間會不斷發(fā)生沉降。因此為了保證大壩在竣工運行壩體沉降穩(wěn)定后壩頂高程能夠達到設計壩高，在施工期大壩填筑到設計壩頂高程后應繼續(xù)填筑大壩，直到壩頂?shù)某罡叨鹊扔诖髩巫罱K沉降值。通過對大壩竣工結(jié)束后5年的流變變形進行分析計算，得出壩體在竣工后的最終沉降0.45m，根據(jù)這一數(shù)值壩體竣工后超填壩頂?shù)母叨葹?.45m，以保證大壩在運行期沉降穩(wěn)定后壩頂高程達到設計高程。

（2）隨著大壩不斷蓄水，面板垂直縫張開量不斷增大，受拉范圍也會進一步擴展，最大張開量出現(xiàn)在樁號0+156m與趾板接觸的周邊位置。為了保證大壩在運行過程面板的安全性，需加強這些部位進行監(jiān)測，及時處理出現(xiàn)裂縫張開引起的破壞，以保證面板的安全和垂直縫止水設施的完好。

（3）隨著大壩蓄水運行，壩體底部止水設施在水壓力的長期作用下會發(fā)生變形，變形過大將引起庫水滲入壩體而對壩體的穩(wěn)定造成不利影響，建議在大壩的運行期間，不斷加強周邊縫止水設施的安全性檢查，及時處理出現(xiàn)裂縫張開引起的破壞，以保證周邊縫止水設施的完好，確保大壩安全運行。