JLBLK面板堆石壩變形設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)證分析

袁 磊

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

我國(guó)“十二五”至“十五五”經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展人民生活水平不斷提高，對(duì)電的需求每年也迅猛增長(zhǎng)，但順應(yīng)發(fā)展節(jié)能減排、“碳達(dá)峰”等重要政策提出后，一批綠色能源也得到了快速拖進(jìn)，水利水電工程建設(shè)就是其中之一，特別是西北地區(qū)相關(guān)工程建設(shè)到了前所未有的高度，近年來(lái)無(wú)論是在大壩數(shù)量還是大壩高度上都有重大突破[1]，然而，國(guó)內(nèi)外還有部分工程在運(yùn)行后通過(guò)壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)資料及外部變形資料分析發(fā)現(xiàn)壩體變形量偏大[2]，從而導(dǎo)致防滲混凝土面板表面產(chǎn)生較多裂縫，嚴(yán)重時(shí)甚至使面板產(chǎn)生擠壓破壞等情況[3-5]。因此，壩體的變形控制對(duì)大壩的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段大多采用室內(nèi)試驗(yàn)獲得設(shè)計(jì)指標(biāo)下填筑料參數(shù)，再進(jìn)行三維有限元分析壩體工后的最大位移、應(yīng)力分布規(guī)律是否滿足設(shè)計(jì)要求。本文基于JLBLK水電站壩料的室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)靜力參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算，通過(guò)計(jì)算填筑體與面板應(yīng)力及變形，從而驗(yàn)證壩料設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性。

1 工程概況

新疆JLBLK水電站，正常蓄水位752m，總庫(kù)容2.32億m3，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容2.16億m3，樞紐為大(2)型Ⅱ等工程，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程757.0m，壩頂寬度10.0m，壩長(zhǎng)460.0m，最大壩高140.3m。上游壩坡采用1∶1.5，下游壩坡上壩公路間采用1∶1.3，最大斷面下游平均坡度約為1∶1.70。

壩址段河谷呈“V”字形，右岸山體較陡峻，岸坡坡度在33°～65°，局部近直立；左岸山體較緩，岸坡坡度多在25°～54°，局部有陡坎。壩址區(qū)出露的地層巖性為石英斑巖和斜長(zhǎng)花崗巖，右岸岸坡較陡，左岸相對(duì)較緩，由于巖體受到裂隙切割、巖脈分布密度影響其風(fēng)化程度略顯不同，巖體主要以物理風(fēng)化(溫差、遇水凍脹等)為主。

大壩壩體分區(qū)從上游至下游分為上游蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層料區(qū)、特殊墊層區(qū)、過(guò)渡料區(qū)、爆破堆石料區(qū)。典型設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

圖1 大壩結(jié)構(gòu)分區(qū)圖

壩體堆石填筑料、墊層料、過(guò)渡料的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下，除此之外在現(xiàn)場(chǎng)還進(jìn)行了壩料爆破試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)大型載荷試驗(yàn)及碾壓參數(shù)試驗(yàn)最終確實(shí)上壩材料級(jí)配、最優(yōu)含水率、機(jī)具、碾壓變數(shù)、厚度等重要指標(biāo)。壩體主堆石區(qū)由壩區(qū)花崗巖和石英斑巖石料場(chǎng)開(kāi)采填筑并利用部分建筑物開(kāi)挖石碴料，壩殼堆石料Dmax≤800mm，要求級(jí)配連續(xù)，5mm含量10%～20%，0.075mm含量<5%，填筑標(biāo)準(zhǔn)為孔隙率n≤20%，內(nèi)摩擦角>40°，滲透系數(shù)在10-2～10-3cm/s。墊層料水平寬4m，由砂礫料場(chǎng)篩分而成，Dmax≤100mm，小于5mm的含量為30%～45%，<0.075mm的含量不大于8%，滲透系數(shù)控制在10-3～10-4cm/s，設(shè)計(jì)相對(duì)密度Dr≥0.85。過(guò)渡料水平寬4m，由砂礫料場(chǎng)篩分而成，Dmax≤200mm，小于5mm含量10～20%，小于0.075mm含量<5%，設(shè)計(jì)相對(duì)密度Dr≥0.85。經(jīng)四方見(jiàn)證進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取料，堆石料、過(guò)渡料、墊層料由大連理工大學(xué)巖土試驗(yàn)進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)最終也確定了各個(gè)分區(qū)填筑參數(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

2 筑壩材料靜三軸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

室內(nèi)三軸試驗(yàn)采用高精度大型液壓伺服靜、動(dòng)兩用三軸儀。該三軸系統(tǒng)的精度非常高且性能穩(wěn)定，試驗(yàn)精度比普通三軸儀提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。設(shè)備的主要性能指標(biāo)如下：最大軸向力：500kN(壓)/300kN(拉)；試樣尺寸：300mm×600mm。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料分別為堆石料、過(guò)渡料、墊層料，各種土料的控制干密度見(jiàn)表1，根據(jù)大壩的設(shè)計(jì)資料，堆石料、過(guò)渡料、墊層料最大粒徑均大于600mm，不滿足試驗(yàn)儀器尺寸要求，依據(jù)當(dāng)年規(guī)范要求以及現(xiàn)行最新規(guī)范均要求堆石料和過(guò)渡料可以通過(guò)等量替代和相似級(jí)配法進(jìn)行縮尺，墊層料通過(guò)等量替代法進(jìn)行縮尺[6]，以滿足室內(nèi)試驗(yàn)要求，堆石料、過(guò)渡料、墊層料試驗(yàn)室控制干密度分別為2.16、2.21、2.19g/cm3，試驗(yàn)級(jí)配曲線如圖2所示。

表1 各區(qū)主要堆石料的技術(shù)要求及填筑參數(shù)指標(biāo)

圖2 試驗(yàn)級(jí)配曲線

試件制備分6層，每層10cm，分層振搗制成試樣，本次試驗(yàn)堆石料圍壓為200、400、800kPa，過(guò)渡料和墊層料圍壓為200、500、800kPa。

2.3 本構(gòu)模型

本工程壩高140.3m屬于百米級(jí)高壩，壩體變形的計(jì)算模型采用目前使用較多的鄧肯-張EB模型。該模型的主要計(jì)算公式如下[7-9]：

(1)

(2)

(3)

式中，K、Kb、n、Rf、m、φ—土體的試驗(yàn)常數(shù)，由常規(guī)靜三軸試驗(yàn)所得；φ0—圍壓等于1Pa時(shí)所對(duì)應(yīng)的φ；Δφ—反映φ隨圍壓降低的參數(shù)；K—初始模量，kPa；n—反映變形模量和圍壓關(guān)系，無(wú)量綱；Rf—破壞比，無(wú)量綱；C——黏聚力，kPa；φ0—摩擦角，(°)；Δφ—摩擦角增量，(°)；Kb—初始模量基數(shù)，kPa；m—反映初始模量隨圍壓變化的速率；σ1、σ3—大、小主應(yīng)力，kPa；Bt—初始彈性模量，kPa;Pa—大氣壓強(qiáng)，Pa。

2.4 結(jié)果與分析

對(duì)不同材料在不同圍壓下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，分別得到堆石料、過(guò)渡料、墊層料的偏應(yīng)力σ1-σ3～εa關(guān)系和εv～εa關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同壩料εv～εa關(guān)系曲線

由圖可知，3種筑壩材料σ1-σ3～εa關(guān)系和εv～εa關(guān)系均滿足一般規(guī)律，由表可知，筑壩堆石料、過(guò)渡料、墊層料的強(qiáng)度參數(shù)Φ0在44.5°～51.4°之間，ΔΦ在6.7°～12.9°之間，均在經(jīng)驗(yàn)的范圍內(nèi)。3種壩料的K、n、Kb和m等參數(shù)也符合一般規(guī)律。

已建面板壩原觀資料表明，堆石壩的變形在建成后若干年逐漸停止，堆石的流變?cè)诤暧^上是衰減的。狹窄河谷堆石壩工后變形對(duì)防滲體應(yīng)力影響至關(guān)重要，因此，在設(shè)計(jì)階段也對(duì)上述填筑壩料進(jìn)行了流變?cè)囼?yàn)，本工程由大連理工大學(xué)在沈珠江流變模型基礎(chǔ)上結(jié)合多年試驗(yàn)成果提出的三參數(shù)流變模型，以便計(jì)算壩體工后變形量。壩體變形計(jì)算時(shí)考慮壩料流變引起的應(yīng)變?cè)隽浚枰ㄟ^(guò)流變?cè)囼?yàn)成果整理出體積流變?chǔ)舦f以及剪切流變?chǔ)胒與應(yīng)力之間的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)表達(dá)式[10]。在三參數(shù)流變模型基礎(chǔ)上，將堆石體流變變形的體積流變?chǔ)舦f和剪切流變?chǔ)胒的計(jì)算公式修正為[11]：

(4)

式中，m1、m2、m3，b、c、d—模型參數(shù)；q—偏應(yīng)力；Sl—應(yīng)力水平;σ3—小主應(yīng)力，kPa;Pa—大氣壓力，Pa。

3 三維靜力有限元計(jì)算分析

3.1 算模型及參數(shù)

通過(guò)建立本工程壩體各個(gè)區(qū)、面板的三維有限元網(wǎng)格用于變形計(jì)算，采用南京水科院自編程序進(jìn)行計(jì)算，模型被離散為47145單元6面體實(shí)體實(shí)體單元，如圖4所示，節(jié)點(diǎn)共計(jì)28889個(gè)。考慮混凝土面板與墊層剛度差異較大，且在運(yùn)行過(guò)程中可能存在脫空的可能性，因此，混凝土與散粒體接觸均采用Goodman接觸單元用于模擬不同材料的錯(cuò)動(dòng)與剪切變形[9-12]。

圖4 大壩三維網(wǎng)格圖

通過(guò)上述試驗(yàn)成果整理參數(shù)，本次計(jì)算需要的三種筑壩材料鄧肯EB模型參數(shù)，見(jiàn)表2，混凝土面板、混凝土趾板、基巖參數(shù)見(jiàn)表3，面板與墊層料之間接觸面的模型參數(shù)見(jiàn)表4；面板縫受壓時(shí)取木板模量1000MPa。壩體流變模型參數(shù)見(jiàn)表5。

表2 鄧肯E-B模型參數(shù)

表3 線彈性材料參數(shù)

表4 接觸面參數(shù)

表5 壩體流變模型參數(shù)

3.2 工程模擬及計(jì)算工況

壩體填筑和蓄水有限元模擬的荷載步見(jiàn)表6。

表6 三維有限元計(jì)算分析荷載步

3.3 結(jié)果與分析

通過(guò)設(shè)計(jì)擬定填筑參數(shù)、室內(nèi)三軸試驗(yàn)成果及數(shù)值分析，將靜力計(jì)算成果列于表7。

表7 三維有限元計(jì)算堆石體應(yīng)力變形最大值表

(1)竣工期壩體最大水平位移向上游32cm，向下游29cm，垂直沉降為51cm占?jí)胃叩?.36%，且壩體應(yīng)力水平不高。

(2)滿蓄期壩體最大水平位移向上游27cm，向下游33cm，垂直沉降為54cm占?jí)胃叩?.38%。面板法向撓度為9cm，軸向拉應(yīng)力0.3MPa，壓應(yīng)力4.7MPa，順坡向拉應(yīng)力1.2MPa，壓應(yīng)力2.1MPa，拉壓應(yīng)力值均小于C30混凝土允許拉應(yīng)力1.43MPa及允許壓力應(yīng)力14.3MPa要求。周邊縫最大剪切變形量為0.82cm，小于該處銅止水剪切允許變形量10cm的要求，最大張開(kāi)量1.34cm，小于允許張開(kāi)量10cm的要求。垂直縫順坡最大剪切變形量0.86cm，小于該處銅止水剪切允許變形量10cm的要求，最大張開(kāi)量為0.34cm，小于允許張開(kāi)量8cm的要求。

(3)壩體運(yùn)行2年后最大垂直沉降為60cm占?jí)胃叩?.43%如圖5所示。最大水平位移向上游25cm，向下游33cm如圖6所示。面板法向撓度為12.1cm，軸向拉應(yīng)力0.6MPa，壓應(yīng)力6.2MPa，順坡向拉應(yīng)力1.0MPa，壓應(yīng)力3.4MPa。周邊縫最大剪切變形量1.22cm，小于該處銅止水剪切允許變形量10cm的要求，最大張開(kāi)量為1.20cm，小于允許張開(kāi)量10cm的要求。垂直縫順坡最大剪切變形量為0.84cm，小于該處銅止水剪切允許變形量10cm的要求，最大張開(kāi)量為0.45cm，小于允許張開(kāi)量8cm的要求。以上變形值符合堆石壩一般變形規(guī)律。結(jié)合表8國(guó)內(nèi)外百米級(jí)面板堆石壩的沉降變形量，本工程與表中同類(lèi)型壩[12-14]在竣工期及運(yùn)行多年后的沉降變形量比較，各部位最大變形量偏小，符合同類(lèi)型面板堆石壩的一般變形規(guī)律。

表8 國(guó)內(nèi)外百米級(jí)堆石壩沉降變形量統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

JLBLK水電站面板堆石壩最大壩高140.3m，鑒于國(guó)內(nèi)外100～200m級(jí)混凝土面板堆石壩面臨的變形控制難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)階段給出壩體堆石填筑料、墊層料、過(guò)渡料的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)上述填筑料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)均符合一般規(guī)律。采用設(shè)計(jì)指標(biāo)下的三軸參數(shù)通過(guò)三維有限元計(jì)算可知，在竣工期、滿蓄期以及運(yùn)行2年后壩體變形均符合一般規(guī)律，壩體填筑料最大剪應(yīng)力水平為0.72小于1.0無(wú)明顯剪切破壞。按照本次所提設(shè)計(jì)指標(biāo)，本工程與國(guó)內(nèi)同類(lèi)型大壩變形量相比偏小，表明填筑標(biāo)準(zhǔn)較高，設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理，可以有效的控制壩體的變形。