考慮庫水位循環升降的面板堆石壩應力變形分析

王晨輝

（新疆建源工程有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

近年來,我國土石壩的建設規模日益擴大,壩高的迅速增加使得大壩的變形（包括運行過程中的長期變形）問題更加突出[1]。壩體的長期變形主要包括蓄水運行期間水位變化引起的壩料干濕循環變形（濕化變形）與水荷載變化產生的變形。土石壩的變形是一個非常復雜的問題[2]。以面板堆石壩為例,在自重和庫水位的影響下,壩體會發生復雜的固結、濕化,尤其當庫水位發生升降時,上游壩殼由于浸透飽和引起濕陷變形,材料強度和變形參數均發生改變,使定量研究變形規律增加了難度[3]。堆石壩在運行過程中,庫水位的漲落會引起堆石體內應力的反復變化,這種反復加卸載的作用不同于地震動力循環荷載過程,但同樣會對堆石壩的長期變形有影響。本文以某混凝土面板堆石壩為對象,研究在濕化變形和不同庫水位之間循環升降變化對面板堆石壩的變形影響[4]。

2 工程簡介

某混凝土面板堆石壩防浪墻頂高程為2011.3 m,壩頂高程2010 m,最大壩高132.2 m,壩頂全長424 m,壩頂寬10 m,壩頂上游側設5.8 m高L形混凝土防浪墻,上游壩坡1∶1.4,在1940 m高程以下的面板上,加設頂寬10 m坡度1∶2的土石壓坡體,下游壩坡設有10 m寬的“之”字形上壩公路,下游局部壩坡1∶1.5,綜合壩坡1∶1.81。鋼筋混凝土面板頂端厚度為0.3 m,底部最大計算厚度為0.76 m。面板設置豎向縫,受拉區豎縫間距6 m,受壓區豎縫間距12 m,沿高程方向不設縫。面板混凝土標號為C25,面板內配置一層雙向鋼筋。

3 計算模型

根據該工程的平面布置圖和大壩橫剖面圖建立有限元模型,計算模型取某一面板所在的整個壩段,沿壩軸線方向寬度為12 m。計算坐標系為：順水流方向為X軸方向,指向下游為正；壩軸線方向為Y軸方向,指向左岸為正；鉛直方向為Z軸方向,向上為正；坐標原點在壩體的最底部中間位置。模型地基計算范圍沿水流方向向上、下游和深度方向延伸140 m,模型見圖1。單元類型全部采用空間六面體八節點單元,將壩體和地基離散后共得到單元有20445 個,節點24381 個。在面板與墊層之間設置Goodman無厚度接觸單元。

圖1 面板堆石壩壩體及地基有限元模型

混凝土面板堆石壩堆石體材料模型均采用鄧肯-張E-B模型,材料參數采用該水電站混凝土面板堆石壩壩體填筑料試驗結果,干態的材料參數見表1,面板的彈性模量E=28 GPa,泊松比 =0.2,密度ρ=2450 kg/m3；防浪墻、趾板的材料參數取值與混凝土面板相同[5],取基巖的彈性模量E=10 GPa,泊松比 =0.25,ρ=2450 kg/m3。

表1 面板堆石壩壩料鄧肯張模型（E-B）參數表（干態）

4 結果計算

4.1 竣工期計算結果及分析

圖2和圖3為竣工期面板堆石壩位移圖,壩體最大沉降值為78.3 cm,出現在大約2/5壩高處,位于次堆石區；壩體上游部位的水平位移向上游,其最大值為22.3 cm,發生在約1/3壩高靠近上游壩面附近,壩體下游部位的水平位移向下游,其最大值為20.0 cm,發生在約2/5壩高處,位于次堆石區。

圖2 竣工期面板堆石壩水平方向位移圖(單位: cm)

圖3 竣工期面板堆石壩鉛直方向位移圖(單位: cm)

圖4 和圖5 可以看出,竣工期壩體大主應力全部為壓應力,最大值為2293.0 kPa,出現在壩體的最底部中間位置；小主應力全部為壓應力,最大值為766.9 kPa,亦出現在壩體的最底部中間位置。壩體大小主應為力均隨深度的增加而增加。

圖4 竣工期面板堆石壩大主應力分布圖(單位: kPa)

圖5 竣工期面板堆石壩小主應力分布圖(單位: kPa)

4.2 蓄水期計算結果及分析

為分析堆石體濕化變形的影響,將計入濕化變形的有限元計算結果與不計入濕化變形的有限元計算結果進行匯總,具體見表2。

表2 面板堆石壩濕化變形影響分析表

由表2 可以看出,考慮濕化變形作用對大壩的應力及位移均有影響。計入濕化變形后,壩體的水平位移及鉛直向位移均有所增加；壩體的大小主應力也有所增大,其中大主應力的極值增加較小主應力明顯。

4.3 庫水位循環升降對面板堆石壩應力變形的影響分析

（1）壩體應力變形計算結果分析

通過有限元計算,得出了混凝土面板堆石壩在庫水位分別循環升降1 次、5 次、10 次、20 次的沉降、水平位移、大小主應力特征值見表3。由表3 可以看出,考慮庫水位循環升降對壩體的應力與位移均有影響。考慮水荷載循環變化作用后,壩體向上游的水平位移極值隨庫水位循環次數的增加而減小,向下游的水平位移極值隨庫水位循環次數的增加而增大；垂直向的沉降最大值隨庫水位循環次數的增加而增大,此時面板可能會出現脫空現象,應引起注意；考慮水荷載循環變化作用后,壩體的大小主應力隨庫水位循環次數的增加也有不同程度的增加；大小主應力分布均勻,沒有出現應力集中區,也沒有出現拉應力區；計入濕化變形作用庫水位循環升降亦有同樣的變化規律；證明堆石體的應力和變形隨著庫水位循環升降次數的增加而增大,應在混凝土面板堆石壩的設計和結構分析中考慮該因素的影響。

表3 壩體應力變形特征值

（2）面板應力變形計算結果分析

面板堆石壩面板考慮水荷載循環變化的應力變形有限元計算結果見表4。由表4 可以看出,考慮庫水位循環升降變化的堆石體變形對面板的應力及撓度均有影響。考慮水荷載循環變化作用之后,面板的應力及撓度極值均增大。面板的撓度變化是隨著庫水位循環升降次數的增加而增大；隨著庫水位循環升降次數的增加,面板絕大部分表現為受壓狀態,面板的順坡向應力值不斷增大,面板的軸向應力值不斷增大。計入濕化變形作用庫水位循環升降亦有同樣的變化規律,考慮堆石體長期變形后,面板的軸向拉應力最大值達到了1.92 MPa,超過了混凝土的抗拉強度值,有開裂的危險,證明考慮水荷載循環變化的堆石體變形對混凝土面板的應力狀態有影響。

表4 面板應力變形特征值

5 結論

本文通過對某實際工程進行有限元模擬,分析了計入濕化變形影響的庫水位循環升降和不計入濕化變形影響庫水位循環升降情況下壩體及面板的應力變形規律,得出堆石體長期變形對壩體及面板應力變形的影響。

（1）考慮庫水位循環升降對壩體和面板的應力及位移也均有影響。考慮庫水位循環升降之后,壩體向下游的水平位移、鉛直位移以及大小主應力均較蓄水期有所增大。面板的撓度、水平位移、鉛直位移及應力較蓄水期有所增大。

（2）考慮堆石體長期變形對壩體和面板的應力及位移也均有影響。計入濕化變形庫水位循環升降20 次后,面板撓度最大值為36.5 cm。可見庫水位的循環升降變化對面板的撓度變化影響明顯。所以加強面板材料的抗循環荷載能力就顯現得較為重要。該混凝土面板堆石壩的壩體應力及變形性狀正常,變形值在可以接受的范圍內。但是面板的應力變形發生了顯著的變化,撓度最大值達到了36.5 cm,軸向拉應力達到了1.92 MPa,產生了危險區域,在設計和施工中應該引起注意。