狹窄河谷陡邊坡高面板堆石壩應(yīng)力變形研究

侯冰鈴，聶柏松

(1.杭州余杭林業(yè)水利投資有限公司，浙江 杭州 310000；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

迄今為止國(guó)內(nèi)外建設(shè)了許多高面板堆石壩，其工程實(shí)踐說(shuō)明在合適的外部條件及較好的設(shè)計(jì)施工水平下，堆石壩變形整體可控，面板不會(huì)出現(xiàn)危害性裂縫[1-2]。但是在狹谷區(qū)域的部分高面板堆石壩，例如格里拉斯(Golillas)面板壩、里蘇(Lesu)面板壩等，岸坡處堆石體變形較大，過(guò)大的變形引起該部位面板開(kāi)裂以及止水結(jié)構(gòu)損壞。這種現(xiàn)象曾有報(bào)道，但并沒(méi)有引起重視。有限元計(jì)算時(shí)，多數(shù)情況下采用固支模擬岸坡處堆石結(jié)點(diǎn)，沒(méi)有研究?jī)烧咧g的滑移現(xiàn)象，在工程設(shè)計(jì)上也缺乏針對(duì)性的措施[3]。

面板堆石壩岸坡和堆石體之間的連接應(yīng)為摩擦接觸。若岸坡平緩，堆石受自重作用下應(yīng)力應(yīng)變的增量方向接近岸坡面的法線方向，因此切向的荷載比法向荷載小，即便是水壓或接觸面的摩擦力發(fā)生一定的衰減，也不太可能導(dǎo)致兩者間摩擦接觸狀態(tài)的變化，堆石不會(huì)沿接觸面滑動(dòng)，這種情況下采用固支模擬岸坡部位堆石結(jié)點(diǎn)是合適的[4-5]。但窄陡河谷中的堆石壩，受自重荷載作用壩體沉降以豎直向?yàn)橹鳎瑧?yīng)力應(yīng)變?cè)隽糠较蚪咏镀旅娣较颍虼饲邢蛟隽看笥诜ㄏ蛟隽浚?dāng)切向力大于抗滑力時(shí)，堆石體將滑移[6-9]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)雜地形上的面板堆石壩開(kāi)展了大量研究，Hunter等[10]研究了河谷形狀產(chǎn)生的拱效應(yīng)，并提出考慮河谷形狀因子的壩體變形預(yù)測(cè)方法；楊杰等[11]研究了特殊地形對(duì)高面板堆石壩應(yīng)力變形的影響，提出河谷地形對(duì)其應(yīng)力變形影響較大；黨發(fā)寧等[12-13]研究了非對(duì)稱高面板堆石壩應(yīng)力變形特點(diǎn)；朱晟等[14]對(duì)狹窄河谷上的面板堆石壩應(yīng)力變形特征進(jìn)行了較多的探討。

江坪河水電站位于湖北省鶴峰縣境內(nèi)，兩岸山坡大部分陡峻，但其中有兩處較為平緩的臺(tái)地，河床以基巖為主。為研究狹窄河谷陡邊坡對(duì)面板堆石壩應(yīng)力變形影響，采用無(wú)厚度的goodman單元接觸模型，模擬岸坡與堆石填筑區(qū)的接觸關(guān)系，并與按固支模擬的的結(jié)果相比較。

1 工程概況

江坪河水電站位于湖北省鶴峰縣境內(nèi)，為Ⅰ等大(1)型工程。壩頂高程479 m，壩高219.5 m。上游壩坡坡比為1.0∶1.4，下游壩坡坡比為1.00∶1.36，設(shè)置4級(jí)馬道，馬道寬2.0 m。堆石料以冰漬礫巖為主，河谷寬高比為1.88。壩址區(qū)兩岸山坡大部分陡峻，但其中有2處較為平緩的臺(tái)地，河床以基巖為主。大壩典型剖面見(jiàn)圖1。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

江坪河水電站混凝土面板堆石壩堆石料以灰?guī)r和冰漬礫巖為主， E-B模型參數(shù)見(jiàn)表1。

大壩填筑分46級(jí)施加荷載，堆石與岸坡連接關(guān)系按2種方式模擬：考慮到岸坡基本為基巖，基巖的變形遠(yuǎn)小于堆石體變形，按常規(guī)方法以固支模擬；采用無(wú)厚度的goodman單元接觸模型模擬[15]。三維非線性分析中無(wú)厚度goodman單元接觸面單元的2個(gè)切線方向勁度為：

(1)

當(dāng)接觸面受壓時(shí)，取法向勁度系數(shù)Kyy=108kN/m3；當(dāng)接觸面受拉時(shí)，取Kyy=10 kN/m3。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 堆石體應(yīng)力變形

表2中列出了2種方案下，壩體的應(yīng)力變形極值。圖2為滿蓄期壩軸線剖面左岸堆石與岸坡接觸部位典型結(jié)點(diǎn)的滑移量。江坪河面板堆石壩河谷形狀呈V型，壩體上半部分河谷邊坡較緩，下半部分邊坡較陡，近乎垂直。從圖中可以看出，在375 m高程以上，岸坡堆石的滑移量較小，但是在375 m高程以下，岸坡堆石的滑移量迅速增大，滑移極值達(dá)到15.81 cm，靠近壩基面位置滑移量有所減小，邊坡陡峭部位堆石與岸坡之間相對(duì)變形較大，產(chǎn)生了滑移。采用固支模擬岸坡壩段堆石結(jié)點(diǎn)無(wú)法模擬這種滑移，顯然不符合狹窄河谷的實(shí)際狀況。

圖3、4為滿蓄期2種模擬方法下0+283 m剖面(岸坡壩段)的位移分布，2種條件下壩體變形規(guī)律相似。按摩擦接觸考慮情況下，滿蓄期壩體受水壓作用，水平位移的方向由向上游變?yōu)橄蛳掠危Q向位移的方向?yàn)樨Q直向下，等值線呈水平分布。但按摩擦接觸處理時(shí)，2個(gè)方向位移值均比按固支考慮時(shí)大，其中岸坡壩段最為明顯，水平方向和豎直方向分別增加了0.54、3.09 cm，這是由于采用無(wú)厚度的goodman單元接觸模型能夠模擬高陡邊坡部位壩體與岸坡間的滑移，而高陡邊坡部位主要位于岸坡壩段，因此考慮摩擦接觸條件下岸坡壩段位移相較按固支處理?xiàng)l件下相對(duì)增大。

a)水平向

圖5—9為堆石體的應(yīng)力成果，2種條件下，其規(guī)律相似。但考慮接觸摩擦條件下，岸坡處堆石發(fā)生滑動(dòng)，應(yīng)力調(diào)整，其應(yīng)力分布較為均勻，主應(yīng)力最大值部位處于巖質(zhì)地基上，應(yīng)力值相對(duì)減小；河床段主應(yīng)力最大值發(fā)生在壩基附近，應(yīng)力值相對(duì)按固支處理時(shí)增加，未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力圈，表明河床部位應(yīng)力分布拱效應(yīng)降低。從圖9可以看出，在320 m高程以上，兩種情況河床壩段剖面壩軸線上的大小主應(yīng)力相差不大，但是在320 m高程以下，即靠近壩基面部位，考慮摩擦接觸作用計(jì)算得到的應(yīng)力明顯高于固支計(jì)算結(jié)果，這也表明河床壩段的應(yīng)力拱效應(yīng)降低。

a)第一主應(yīng)力

a)第一主應(yīng)力

a)第一主應(yīng)力

a)第一主應(yīng)力

a)第一主應(yīng)力

b)第三主應(yīng)力

圖10、11為按接觸摩擦處理時(shí)，滿蓄期壩軸線剖面主應(yīng)力，其第一、第三主應(yīng)力分布規(guī)律相近，從頂部至壩基主應(yīng)力變大，且第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壩肩而不是壩基，說(shuō)明其應(yīng)力分布存在拱效應(yīng)[16]。

圖10 按接觸摩擦處理滿蓄期壩軸線剖面第一主應(yīng)力等值線(kPa)

圖11 按接觸摩擦處理滿蓄期壩軸線剖面第三主應(yīng)力等值線(kPa)

3.2 面板應(yīng)力變形

圖12、13為2種條件下滿蓄期面板撓度和左右岸方向位移分布，2種情況下面板撓度及左右岸方向位移分布基本一致，撓度最大部位均出現(xiàn)在面板中下部，考慮接觸摩擦后面板撓度最大值相對(duì)降低，面板左右岸方向位移極值略有增大[17-18]，但總體上差距不大。

a)撓度

a)撓度

圖14、15為滿蓄期面板順坡向及左右岸方向的應(yīng)力等值線圖。圖16為2種情況下，河床壩段面板單元應(yīng)力的對(duì)比圖。2種情況下面板順坡向應(yīng)力分布相似。按固支考慮條件下，位于河床壩段的面板底部拉應(yīng)力值偏大，與實(shí)際狀況不符。按接觸摩擦處理時(shí)，受壓區(qū)面板應(yīng)力值相對(duì)按固支考慮條件下增大，位于岸坡部位受拉區(qū)的面板應(yīng)力值相對(duì)降低[19]。

a)順坡向

a)順坡向

a)順坡向

河床壩段的堆石有明顯的的拱效應(yīng)，填筑不密實(shí)，蓄水后，該部位的面板受水壓荷載出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。但按摩擦接觸處理后，由于堆石可以滑移，該部位堆石填筑緊密，應(yīng)力分布相對(duì)均勻，拱效應(yīng)降低，蓄水后，該部位面板輕微受壓，與實(shí)際情況相符。2種情況下左右岸方向應(yīng)力分布規(guī)律相似。

4 結(jié)論

a)滿蓄期壩軸線剖面左岸堆石與岸坡接觸部位典型結(jié)點(diǎn)的滑移量曲線表明，高陡邊坡部位岸坡堆石的滑移量迅速增大，滑移極值達(dá)到15.81 cm，滑移值較大。表明考慮堆石與岸坡間的摩擦接觸相對(duì)符合狹窄河谷的實(shí)際狀況。

b)岸坡與堆石連接分別按接觸摩擦和固支考慮條件下，堆石體變形和應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，但考慮接觸摩擦能模擬岸坡壩段堆石與岸坡間的滑移，因此位移值相對(duì)按固支考慮條件下增加，同時(shí)因滑移后應(yīng)力調(diào)整，主應(yīng)力最大值相對(duì)降低。

c)蓄水后，左右岸方向位移和面板撓度變化較小。考慮接觸摩擦后，受壓區(qū)應(yīng)力相對(duì)增加，岸坡坡度變化部位面板拉應(yīng)力降低。河床壩段的堆石有明顯的的拱效應(yīng)，填筑不密實(shí)，蓄水后，該部位的面板受水壓荷載出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。但按摩擦接觸處理后，由于堆石可以滑移，該部位堆石填筑緊密，應(yīng)力分布相對(duì)均勻，拱效應(yīng)降低，蓄水后，該部位面板輕微受壓，與實(shí)際情況相符。