覆蓋層對面板堆石壩脫空的影響研究

廖冬芽

摘? 要：面板作為修建在堆石壩上游的建筑物，其主要作用為擋水和防滲，由于堆石壩體和面板的材料屬性差異較大，因此面板與壩體的變形相差較大，故而面板出現了脫空現象。本文結合具體的覆蓋層上的某面板堆石壩工程，通過建立不同覆蓋層厚度的面板堆石壩有限元計算模型，進行三維有限元計算分析，計算分析了大壩在竣工期的應力變形，在此基礎上研究覆蓋層對面板脫空的具體影響。結果表明，隨著覆蓋層厚度的增大，壩體的沉降、順河向位移、橫河向位移的最大值以及面板撓度和順坡向應力的最大值均隨之也在不斷增大。覆蓋層的存在一定程度上增大了面板脫空的極值，對大壩的安全運行產生了不利的影響，因此需提高覆蓋層地基的承載力，減少大壩的不均勻沉降，可以有效地預防面板脫空現象的出現。

關鍵詞：覆蓋層? 竣工期? 面板? 堆石壩? 脫空

中圖分類號：TV641.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（b）-0029-04

Study on the Influence of Overburden on the Void of CFRD

LIAO Dongya

（China Railway Water Conservancy and Hydropower Planning and Design Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi Province， 330029? China）

Abstract： As a building built on the upstream of rockfill dam， the main function of panel is water retaining and seepage prevention. Because of the material properties of rockfill dam and panel are different， the deformation of the face plate and dam body is different， so the face slab appears void phenomenon. In this paper， based on a concrete face rockfill dam project on the concrete cover， the face rockfill dam with different thickness of overburden is established The finite element model is used to calculate and analyze the stress and deformation of the dam during the completion period. On this basis， the concrete influence of the overburden on the slab void is studied. The results show that with the increase of overburden thickness， the maximum values of dam settlement， along river displacement， across river displacement， and the maximum values of slab deflection and along slope stress are increasing. The existence of overburden increases the extreme value of slab void to a certain extent， which has a negative impact on the safe operation of the dam. Therefore， it is necessary to improve the bearing capacity of overburden foundation and reduce the uneven settlement of the dam， which can effectively prevent the occurrence of slab void.

Key Words： Overburden; Completion period; Face slab; Rockfill dam; Void

面板堆石壩以上游的面板為主要的防滲結構體、以堆石體為主要的受力結構體，具有對地形地質條件適應性強、壩體斷面小、建設成本低、工期較短、便于施工導流、穩定性好等眾多優點，在大壩工程的建設中，通常將面板堆石壩作為首選壩型來考慮[1]。

面板堆石壩的面板發生脫空現象的直接原因是壩體與面板變形難以協調，而影響二者變形的因素有很多，例如筑壩材料的流變特性、壩體的分層碾壓、面板的分期澆筑、堆石體填筑時超出面板的高度、壩體的預沉降期、壩體自重、堆石體的壓實質量、大壩的蓄水過程、庫水位的循環升降、地形地質條件等因素，目前各影響因素對面板脫空的影響程度尚不明確。

大壩工程建設中，在深厚覆蓋層地基上修建土石壩是不可避免的，如果不挖除覆蓋層將土石壩修建在其上可以減少工程成本費用，減短工期，便于施工導流，但覆蓋層會使得大壩產生較大的不均勻沉降[2]。就目前而言，覆蓋層地基上建造的面板堆石壩也不在少數，覆蓋層的存在既然會使大壩產生較大的不均勻沉降，就很有可能加劇面板和壩體本身由于材料屬性的差異出現的面板脫空現象，因此很有必要對深厚覆蓋層上的面板堆石壩的面板脫空問題進行相應地研究。

1? 工程概況

某覆蓋層上的面板堆石壩壩頂最大長度為232.0m，壩頂的寬度為11.0m，壩頂高程為 2206.5m，正常蓄水位為2202.0m，最大壩高為137m，上游壩坡坡度為1∶1.4，下游壩坡坡度在高程2170.5m以下為1：1.45，高程2170.5m以上為1∶1.5。此大壩壩址區域的覆蓋層主要為沖積砂礫卵石層，河槽部位的覆蓋層最大厚度大約為50m，大壩的標準剖面如圖1所示。

2? 有限元模型

根據該面板堆石壩工程的相關設計圖，分別建立3個覆蓋層厚度為20m、30m、40m的三維有限元模型，3個模型除了覆蓋層厚度不一樣之外，其余特征參數均一致。計算中以順水流向為x軸方向，向下游為正;以垂直水流方向為y軸方向，向左岸為正;以豎直方向為z軸方向，向上為正。覆蓋層地基底部施加固定端約束，兩岸壩肩施加法向約束。計算模型均采用八結點六面體單元，混凝土面板的網格如圖2所示。

3? 材料本構模型和計算參數及條件

在進行有限元計算分析時，壩體堆石料和覆蓋層的本構模型采用鄧肯-張E-B模型[3]，原因在此不再贅述，材料參數通過室內三軸試驗獲得。混凝土面板采用線彈性本構模型，密度為2400kg/m3，泊松比為0.167，彈性模量為30GPa。面板與壩體之間的接觸面同樣采用無厚度的Goodman單元模擬。

對不同覆蓋層厚度的面板堆石壩，根據大壩的實際填筑順序及蓄水過程進行有限元數值模擬[4]。計算時壩體填筑共分15個加載級模擬，混凝土面板的澆筑分 2 個加載級模擬。

對覆蓋層厚度為20m、30m、40m的面板堆石壩分別進行有限元計算分析，得出3個不同覆蓋層厚度的面板堆石壩在竣工期的應力變形，在此基礎上計算分析面板和墊層的相對變形，得出不同模型所對應的面板脫空值，研究覆蓋層對面板堆石壩面板脫空的影響規律[5]。

4? 竣工期不同覆蓋層厚度的面板堆石壩的應力變形分析

對3個不同覆蓋層厚度的面板堆石壩，分別采用相同的計算方法對大壩竣工期的應力變形進行了有限元計算分析，得出了不同覆蓋層厚度的大壩竣工期應力變形的計算結果，結果表明應力變形的分布規律大體相一致，僅僅在數值上有所差別而已。現將3個不同大壩竣工期應力變形的最大值匯總于表1中，只將應力的計算結果列于表1中，不再對此做具體分析。由于3個不同覆蓋層厚度的大壩竣工期面板和壩體變形的分布規律基本一致，只是在數值上有所差別而已，因此限于篇幅只列出覆蓋層厚度為20m的面板堆石壩竣工期的變形云圖，如圖3、圖4所示。

根據計算結果可知，竣工期不同覆蓋層厚度的大壩沉降、水平位移、橫河向位移的分布規律大體相一致，3個不同覆蓋層厚度的壩體和面板變形最大值出現的位置基本都相同。由圖3、圖4可知，竣工期壩體最大沉降出現在大約1/2壩高附近;壩體的水平位移分布基本是對稱的，上游堆石體產生向上游的位移，下游堆石體產生向下游的位移;兩岸壩坡附近的堆石壩體呈現向河床部位變位的趨勢，由于河谷形狀不對稱，所以大壩橫河向的位移分布也出現不對稱的現象;面板撓度最大值出現在大約2/3壩高處，面板的撓度值向最大值處的四周逐漸減小。

由表1可知，隨著覆蓋層厚度的增大，壩體的最大沉降、順水流向位移的最大值和橫河向位移的最大值以及面板的撓度和順坡向應力的最大值均隨之增大，而壩體的大、小主應力卻呈現逐漸減小的趨勢。

5? 竣工期不同覆蓋層厚度的面板堆石壩面板脫空的結果分析

根據不同覆蓋層厚度的面板堆石壩竣工期面板脫空的計算結果可知，3個模型計算出的面板脫空的分布規律大致相同，但與覆蓋層厚度相對較小的面板堆石壩相比，覆蓋層厚度相對較大的面板堆石壩所對應的面板脫空值更大，這主要是因為覆蓋層越厚，會使得大壩產生更多的不均勻沉降，加劇了面板和壩體之間的變形不協調特性，進而使得面板的脫空值更大[6]。現將3個大壩竣工期面板脫空的計算結果列于表2中，覆蓋層為20m的大壩竣工期面板脫空等值線圖如圖5 所示。

不同覆蓋層厚度的大壩竣工期面板脫空的分布規律大體相一致，受本工程特殊地形地質條件的影響，面板脫空的最大值均出現在左岸河床部位附近。由表2可知，隨著覆蓋層厚度的增大，大壩竣工期面板脫空的最大長度、最大寬度、最大深度也隨之呈現不同程度的增大趨勢。當覆蓋層厚度從20m增加到30m時，面板脫空的最大長度增大了3.4%，面板脫空的最大寬度增大了10.9%，面板脫空的最大深度增大了23.8%。當覆蓋層厚度從30m增加到40m時，面板脫空的最大長度同樣增大了3.4%，面板脫空的最大寬度增大了5.6%，面板脫空的最大深度增大了50.1%。從表2中可以明顯看出，隨著覆蓋層厚度的增大，面板脫空深度的最大值隨之變化的幅度更大。

6? 結語

本文結合具體的覆蓋層地基上的某面板堆石壩工程實例，在ABAQUS中建立了3個不同覆蓋層厚度的面板堆石壩有限元模型，對其分別進行了三維有限元計算分析，得出了3個大壩在竣工期的應力變形。隨著覆蓋層厚度的增大，壩體的沉降、順河向位移、橫河向位移的最大值以及面板撓度和順坡向應力的最大值均隨之在不斷地增大。通過計算分析面板和壩體的相對位移，得出了竣工期3個大壩所對應的面板脫空的極值和范圍隨覆蓋層厚度的變化規律。覆蓋層的存在一定程度上增大了面板脫空的極值，對大壩的安全運行產生了不利的影響，因此需提高覆蓋層地基的承載力，減少大壩的不均勻沉降，可以有效地預防面板脫空現象的出現。

參考文獻

[1] 劉月.基于BIM的重力壩參數化設計研究[D].大連：大連理工大學，2020.

[2] 陳彪.混凝土面板堆石壩應力變形及動力響應研究[D].西寧：青海大學，2020.

[3] 余華.基于鄧肯E-B模型的面板堆石壩應力變形分析——以毛家河水庫面板堆石壩為例[J].人民珠江，2016，37（9）：40-47.

[4] 吳海波. 面板堆石壩面板脫空的影響因素研究[D].西安：西安理工大學，2020.

[5] 劉漢龍，劉彥辰，楊貴，等.覆蓋層上混凝土-堆石混合壩模型試驗研究[J].巖土力學，2017，38（3）：617-622，671.

[6] 邢建營.面板堆石壩深覆蓋層處理技術研究及在河口村水庫工程中的應用[J].巖土工程學報，2020，42（7）：1368-1376.