基于參數(shù)反演法面板堆石壩蓄水初期應(yīng)力應(yīng)變分析

韓 勇

(貴州省水利水電勘測設(shè)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117 km，下距清江第二梯級隔河巖電站92 km。水庫的正常蓄水位高程400 m，大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程409 m，最大壩高233 m，最大壩前作用水頭222 m，其壩高和壩前水頭在國內(nèi)外同類型的已建和在建大壩中居首位。左岸溢洪道最大下泄流量為18 280 m3/s，相應(yīng)單寬流量204 m3/(s·m)。右岸引水式地下電站裝機(jī)4臺，總裝機(jī)容量1 840 MW，年平均發(fā)電量39.84×108kW·h。

2 數(shù)值計算模型

選取水布埡混凝土面板堆石壩三維數(shù)值計算區(qū)域包含壩體周圍山體和組成壩體的面板、擠壓邊墻、墊層料、過渡料、主堆石料、次堆石料、下游堆石料，材料分區(qū)見圖1。三維網(wǎng)格主要采用八節(jié)點六面體等參元，為了適應(yīng)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)格見圖2和圖3。計算域的底部邊界為固定約束，前后兩側(cè)及左右兩側(cè)采用法向約束。

圖1 水布埡面板堆石壩壩體材料分區(qū)圖

圖2 整體三維計算模型網(wǎng)格圖

圖3 壩體三維計算模型網(wǎng)格圖

3 樣本構(gòu)造

為了反演壩體在施工期間各堆石體材料的變形參數(shù)，本文以壩體施工期的變形實測值為依據(jù)，對壩體填筑堆石料(墊層、過渡層、主堆石和次堆石4種填料)的變形參數(shù)(K、n、Rf、Kb、m和Kur6個參數(shù))共24個進(jìn)行反演。由于壩體變形對堆石料(墊層、過渡層、主堆石、次堆石料和下游堆石料5種填料)、擠壓邊墻、趾板和面板的凝聚力c和摩擦角Ф不敏感，因此不參與反演。另外，大壩的變形主要受控于堆石體的變形，因此擠壓邊墻、面板和趾板的彈性模量、面板間接觸水平縫、面板間接觸垂直縫、面板與趾板間周邊縫的各變形和強(qiáng)度參數(shù)均不參與反演。鑒于水布埡面板堆石壩堆石體Rf的變化較小，且都在0.8左右變動；同時下游堆石料與主堆石料的參數(shù)相同，各堆石體變形參數(shù)m的差別很小，因此參與反演的堆石料(墊層、過渡層、主堆石、次堆石料)變形參數(shù)為K、n和Kb共12個參數(shù)，它們?nèi)≈捣秶謩e為K=700～1 300、n=0.2～0.6和Kb=300～900。各堆石料的取值范圍見表1，參與反演各堆石料變形參數(shù)取值水平見表2。

表1 參與反演的各堆石料變形參數(shù)取值范圍及參數(shù)m取值

表2 參與反演的各堆石料變形參數(shù)取值水平

4 堆石體變形參數(shù)反演結(jié)果

1) 數(shù)據(jù)的預(yù)處理：首先將樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化為[0.1，0.9]的區(qū)間數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)化算法如下：

2) 最優(yōu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的搜索。所用的檢驗誤差函數(shù)如下：

式中：fi(X)為樣本i(i=1，…，n)的網(wǎng)絡(luò)輸出；ui為樣本i的期望輸出；n為所檢驗樣本的總個數(shù)。

通過采用遺傳算法來進(jìn)行搜索可以得出，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為12-38-17-3時，經(jīng)過18 970次學(xué)習(xí)后，可以得到最佳的預(yù)測效果。此時的學(xué)習(xí)誤差是0.003 244，測試誤差是0.007 2。大壩內(nèi)布置的各監(jiān)測點處垂直方向的位移值，可以通過用網(wǎng)絡(luò)模型替代位移反分析迭代優(yōu)化過程中的正向計算來獲得。

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

表3 堆石體變形參數(shù)反演結(jié)果

5 壩體初期蓄水結(jié)束時應(yīng)力應(yīng)變計算分析

5.1 應(yīng)力計算分析

1) 堆石體應(yīng)力。蓄水結(jié)束時，壩體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在壩底中部略偏上游。其中，壩體第一主應(yīng)力最大值約為3.90 MPa(圖4)，第一主應(yīng)力的大小隨壩體表面距離增大而增大；第三主應(yīng)力最大值為5.80 MPa(圖5)，第三主應(yīng)力的大小亦隨壩體表面距離增大而增大。

圖4 壩體第一主應(yīng)力分布圖(MPa)

圖5 壩體第三主應(yīng)力分布圖(MPa)

2) 面板應(yīng)力。蓄水結(jié)束時，面板壩軸向壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在高程340～400 m的范圍內(nèi)。面板大部分區(qū)域受壓，壓應(yīng)力范圍為0～0.2 MPa；兩岸壩肩部位受拉，拉應(yīng)力最大值為1.0 MPa左右，但拉應(yīng)力范圍很小；在兩岸岸坡變化較大處出現(xiàn)了小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，最大值達(dá)1.0 MPa。見圖6。

蓄水結(jié)束時，面板順坡向應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，壓力大小范圍在0～2.1 MPa之間，最大壓應(yīng)力達(dá)2.1 MPa，主要集中在兩岸壩肩且高程為340 m以上的面板上。面板拉應(yīng)力主要集中在壩基附近的面板處，最大拉應(yīng)力為1.7 MPa。見圖7。面板壩軸向和順坡向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的極值見表4。

圖6 面板壩軸向應(yīng)力分布圖(MPa)

圖7 面板順河向應(yīng)力分布圖(MPa)

表4 應(yīng)力極值 /MPa

5.2 位移計算分析

1) 堆石體變形。蓄水結(jié)束時，壩體最大的壩軸向位移為0.50 m，位于壩體頂部且略靠近下游側(cè)(圖8)；順河向位移最大值為0.8 m，位于壩體頂部且略靠近下游側(cè)(圖9)；壩體沉降位移最大值為2.40 m，位于壩體中上部偏下游的位置(圖10)。蓄水結(jié)束時堆石體變形極值見表5。

圖8 壩體壩軸向位移分布圖(mm)

圖9 壩體順河向位移分布圖

圖10 壩體豎向位移分布圖(mm)

表5 位移極值 /mm

2) 面板變形。蓄水結(jié)束時，壩體最大的壩軸向位移為100 mm，位于壩體左岸底部且靠近壩底(圖11)；順河向位移最大值為1 900 mm，位于高程340～400 m之間的區(qū)域，且靠近左岸(圖12)；面板沉降位移最大值為1 400 mm，位于壩體中下一期面板上(圖13)。竣工時面板變形極值見表6。

圖11 面板壩軸向位移分布圖(mm)

圖12 面板順河向位移分布圖(mm)

圖13 面板豎向位移分布圖(mm)

表6 位移極值 /mm

3) 縫的變形。初期蓄水結(jié)束時，河床部位的垂直縫是壓縫，靠近兩岸壩肩的部位是拉縫，最大張拉值達(dá)10.3 mm，出現(xiàn)在右岸壩肩處。面板順坡向橫剪變形主要發(fā)生在340.0 m高程以下面板之間，量值在0～3.7 mm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，剪切最大值為31.8 mm，最大沉降值為20.2 mm。初期蓄水結(jié)束后，面板垂直縫的拉壓變形具體分布見圖14。.

圖14 面板豎縫張開值分布圖(mm)

初期蓄水結(jié)束時，周邊縫的張開位移最大值為10.2 mm，發(fā)生在左岸較陡的壩肩位置，其余部位張開位移一般為1～4.0 mm；剪切位移最大值為30.0 mm，發(fā)生在右岸一期面板對應(yīng)的周邊縫位置，其余部位的剪切位移為0～20 mm，最大沉降值為21.2 mm。大壩竣工后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具體分布見圖15～圖17。

圖15 面板周邊縫張開值分布圖(mm)

圖16 面板周邊縫沉陷值分布圖(mm)

圖17 面板周邊縫剪切值分布圖(mm)

6 結(jié) 論

6.1 堆石體應(yīng)力與變形分析

通過對壩體在初期蓄水結(jié)束時應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果分析，大壩蓄水結(jié)束時壩體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在壩底中部略偏上游。其中，壩體第一主應(yīng)力最大值約為3.90 MPa，第一主應(yīng)力值的大小隨壩體表面距離增大而增大；第三主應(yīng)力最大值為5.80 MPa，第三主應(yīng)力的大小亦隨壩體表面距離增大而增大。

大壩蓄水結(jié)束時，壩體最大的壩軸向位移為0.50 m，位于壩體頂部且略靠近下游側(cè)；順河向位移最大值為0.8 m，位于壩體頂部且略靠近下游側(cè)；壩體沉降位移最大值為2.40 m，位于壩體中上部偏下游的位置。

6.2 面板應(yīng)力與變形分析

通過對壩體在初期蓄水結(jié)束時應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果分析，蓄水結(jié)束時面板壩軸向壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在高程340～400 m的范圍內(nèi)，面板大部分區(qū)域受壓，壓應(yīng)力范圍為0～0.2 MPa；兩岸壩肩部位受拉，拉應(yīng)力最大值為1.0 MPa左右，但拉應(yīng)力范圍很小；在兩岸岸坡變化較大處出現(xiàn)了小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，最大值達(dá)1.0 MPa。大壩蓄水結(jié)束時，面板順坡向應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，壓力大小范圍在0～2.1 MPa之間，最大壓應(yīng)力達(dá)2.1 MPa，主要集中在兩岸壩肩且高程為340 m以上的面板上。面板拉應(yīng)力主要集中在壩基附近的面板處，最大拉應(yīng)力為1.7 MPa。

蓄水結(jié)束時，壩體最大的壩軸向位移為100 mm，位于壩體左岸底部且靠近壩底；順河向位移最大值為1 900 mm，位于高程340～400 m之間的區(qū)域，且靠近左岸；面板沉降位移最大值為1 400 mm，位于壩體中下一期面板上。

6.3 縫的變形分析

通過對壩體在初期蓄水結(jié)束時應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果分析，初期蓄水結(jié)束后河床部位的垂直縫是壓縫，靠近兩岸壩肩的部位是拉縫，最大張拉值達(dá)10.8 mm，出現(xiàn)在右岸壩肩處。面板順坡向橫剪變形主要發(fā)生在340.0 m高程以下面板之間，量值在0～3.7 mm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，剪切最大值為25.7 mm，沉降最大值為30.2 mm。

初期蓄水結(jié)束時，周邊縫的張開位移最大值為10.2 mm，發(fā)生在左岸較陡的壩肩位置，其余部位張開位移一般為1～4.0 mm；剪切位移最大值為30 mm，發(fā)生在右岸一期面板對應(yīng)的周邊縫位置，其余部位的剪切位移為0～20 mm，最大沉降值為21.2 mm。