尼雅水庫壩體分區(qū)研究

王相峰

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

尼雅水庫是尼雅河上控制性工程，是以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電的綜合性水利樞紐工程。工程等別為中型Ⅲ等。工程由攔河壩、表孔溢洪道、導(dǎo)流泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等建筑物組成。水庫總庫容4069萬m3，正常蓄水位2663 m，死水位2615 m，電站總裝機(jī)6MW。大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程2672.8 m，最大壩高131.8 m。壩頂寬度10 m，上游壩坡 1∶2，下游壩坡 1∶1.8。

由于工程位于山區(qū)河段，河道內(nèi)砂礫料儲量不能滿足壩體填筑要求，需要爆破山體采集石料用于壩體填筑（爆破山體采集的石料，后文中稱堆石料）。通過對兩種填筑料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種填筑料的物理力學(xué)性質(zhì)存在一定差異，為探究這種差異會對壩體工作性能造成多大影響，并合理布置兩種填筑料的填筑范圍，設(shè)計(jì)了四種方案對壩體進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

1 壩體分區(qū)方案設(shè)計(jì)

尼雅水庫壩體填筑分為砂礫料區(qū)、過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、堆石料區(qū)，上游圍堰與壩體相結(jié)合布置，大壩瀝青混凝土防滲體采用垂直布置。大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面如圖1所示。根據(jù)工程現(xiàn)場填壩材料的情況，提出了四個分區(qū)填筑設(shè)計(jì)方案，四個方案的瀝青混凝土心墻和心墻兩側(cè)的過渡料都不變，只是砂礫料和堆石料的填筑范圍不同。方案一：壩體內(nèi)部用砂礫料，靠近壩面位置用堆石料，砂礫料和堆石料界線坡度1∶1，見圖2；方案二：上游壩體全用砂礫料，下游壩體全用堆石料，見圖3；方案三：上游壩體全用堆石料，下游壩體全用砂礫料，見圖4；方案四：壩體內(nèi)部用砂礫料，靠近壩面位置用堆石料，砂礫料和堆石料界線坡度 1∶1.5，見圖 5。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

圖2 方案一 壩體分區(qū)及各分區(qū)材料

圖3 方案二 壩體分區(qū)及各分區(qū)材料

圖4 方案三.壩體分區(qū)及各分區(qū)材料

圖5 方案四.壩體分區(qū)及各分區(qū)材料

2 模型及材料參數(shù)的選用

2.1 筑壩材料本構(gòu)模型

大量的研究表明心墻瀝青混凝土和砂礫石壩料的變形，不僅隨剪應(yīng)力水平而變化，也與加載應(yīng)力路徑密切相關(guān)[1]，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出明顯的非線性特性，目前國內(nèi)外均通過壩料的三軸試驗(yàn)的剪應(yīng)力與軸應(yīng)變的關(guān)系來反映材料的非線性性質(zhì)，比較多的選用鄧肯-張模型[2]。為安全起見，大多數(shù)瀝青混凝土心墻壩較為普遍的采用鄧肯-張的E～μ進(jìn)行有限元分析，以切線變形模量Et和切線泊松比μt為計(jì)算參數(shù)，其中切線變形模量Et的表達(dá)式為：

切線變形模量Et的公式中共包括5個材料常數(shù)K、n、φ、c、Rf，式（1）將變形與壩料的強(qiáng)度統(tǒng)一到一起，充分放映了材料的本構(gòu)關(guān)系。

鄧肯等人根據(jù)大量三軸試驗(yàn)中軸應(yīng)變ε1與側(cè)向應(yīng)變-ε3之間也存在雙曲線關(guān)系，提出了切線泊松比的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

μt為切向泊松比，它不是常量，而是應(yīng)力的函數(shù)，由三個材料參數(shù)G、F、D來確定。

式（1）、式（2）就構(gòu)成鄧肯-張的 E～μ 模型[3]，其 8個參數(shù)完全可以通過常規(guī)的三軸常規(guī)試驗(yàn)來獲取。由于該模型及其參數(shù)具有明確的物理意義，易為工程技術(shù)人員所接受，而且現(xiàn)在已應(yīng)用了多年，積累了較為豐富的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和資料，可以獲得基本滿意的土石壩應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，能夠反映出壩體的工作性狀[4]。

2.2 計(jì)算幾何模型

選用河床最大剖面作為計(jì)算剖面進(jìn)行壩體單元劃分，大壩有限元網(wǎng)格采用四邊形單元和三角形單元。瀝青混凝土心墻單元最大幾何尺寸2.9 m，壩體單元最大幾何尺寸為14 m。圖6給出了方案一有限元網(wǎng)格剖分，大壩的有限元網(wǎng)格共有單元2567個（其中：壩殼1467個單元，過渡區(qū)328個單元，瀝青混凝土心墻164個單元），結(jié)點(diǎn)2694個。

計(jì)算分為竣工期和滿蓄期兩種工況。壩基砂礫石作為已存在部分（只具有初始應(yīng)力）。加載過程：大壩壩填筑分為17級，蓄水分為4級。蓄水時上游水下部分施加浮托力，同時，水壓力以面力的形式作用在瀝青混凝土心墻上游面上[5]。

圖6 方案一網(wǎng)格圖

2.3 材料參數(shù)

利用三軸儀，對壩體各種材料，進(jìn)行了三軸實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到各種材料的鄧肯-張模型參數(shù)，見表1，同時從表中可以看出，相比于堆石料，砂礫料的K值要大一些，也就是說整體表現(xiàn)的偏硬一些，主要原因是河床的砂礫料經(jīng)過雨水沖刷，力學(xué)性質(zhì)偏軟的顆粒被分化或者攜帶至河道下游。

表1 各種材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

將表1中的材料參數(shù)帶入四個設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行有限元模擬計(jì)算后，提取出了每個方案的壩體的變形和應(yīng)力應(yīng)變的極值。

表2列出了方案一、二、三的變形和應(yīng)力水平的極值，圖7和圖8給出了滿蓄期和竣工期心墻水平向位移沿壩高的分布。從表2中可以看出，無論是竣工期，還是滿蓄期，方案三的豎向位移是最大的。從圖7和圖8可以看出，方案一和方案二的心墻在竣工期的水平向位移都在心墻軸線附近，最大不超過5 cm，而方案三心墻在竣工期有明顯的向上游位移，最大達(dá)到了13.33 cm，滿蓄期在向下游水壓力的作用下，仍有少許的向上游偏移，主要原因是方案三上游壩料全是力學(xué)性質(zhì)不太好的爆破堆石料。如果選用方案三，那么其上游壩坡存在失穩(wěn)的可能性，特別是在壩前水位下降時，則存在更大的安全隱患，因此首先放棄方案三。在竣工期和滿蓄期，方案二的豎向位移極值都大于方案一，而且在滿蓄期方案二心墻的水平向位移竟然接近方案一的二倍，從圖8也可以看出在竣工期方案二的心墻就有向下游變形的趨勢，這也反映出如果下游全部用堆石料，對壩體的變形的影響也是不利的，同時從表2可以看到，在竣工期方案二壩體中某些部位的應(yīng)力水平達(dá)到了0.99，安全儲備較低。因此，也放棄了方案二。

圖7 滿蓄期各個方案心墻水平位移沿壩高分布圖

圖8 竣工期各個方案心墻水平位移沿壩高分布圖

表2 方案一、二、三變形和應(yīng)力極值對比表

基于對方案一、二、三的分析，我們更傾向于將方案一作為推薦方案。從經(jīng)濟(jì)上和壩體工作性狀上考慮，壩體填筑時盡量多使用河床砂礫料是有利的。然而有受限于工程現(xiàn)場料場的情況，因此又設(shè)計(jì)了方案四進(jìn)行對比分析。表3，給出了方案一和方案四計(jì)算結(jié)果的對比情況。可以看出，在竣工期和滿蓄期，方案一中壩殼和心墻位移極值，都稍小于方案二。兩個方案中大小主應(yīng)力和應(yīng)力水平都差別不大。因此最終將方案一作為推薦方案。

表3 方案一、四變形和應(yīng)力極值對比表

4 結(jié)語

本文使用有限元方法，對尼雅水庫瀝青混凝土心墻壩的各個方案進(jìn)行分析后，得到了以下結(jié)論：

（1）壩體材料填筑分區(qū)的不同，對大壩工作性態(tài)有很大的影響，如果材料分區(qū)不當(dāng)，壩體的運(yùn)行將存在一定的安全風(fēng)險。

（2）將力學(xué)性能不好的材料完全填筑上游或者完全填筑下游，都對壩體穩(wěn)定不利，壩體填料無論性能如何，盡量沿壩軸線上下游對稱布置。