余魯江 王建柱

（扶風(fēng)縣水利電力工作隊(duì) 陜西 扶風(fēng) 722000）

面板堆石壩作為目前充滿前景的壩型，得到大力發(fā)展和改進(jìn)[1,2]。隨著施工機(jī)械和施工技術(shù)的進(jìn)步，面板堆石壩的筑壩速度在不斷提高[3,4]。面板堆石壩快速施工可以使大壩提前發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，同時由于基礎(chǔ)處理的特點(diǎn)、度汛施工的特點(diǎn)以及水文氣象的影響，也對面板堆石壩的填筑強(qiáng)度提出要求。目前面板堆石壩的填筑速度可以從施工組織與措施優(yōu)化、施工道路規(guī)劃與布置、料源的規(guī)劃與平衡以及施工設(shè)備的配置、運(yùn)行和管理等方面來進(jìn)行提高和改善?？焖俚膲误w填筑速度將引起復(fù)雜的應(yīng)力變形特性[5-7]。堆石壩施工實(shí)踐認(rèn)為堆石施工完成則變形基本完成的觀點(diǎn)是有偏差的。壩體快速填筑，大壩投入運(yùn)行后，壩體產(chǎn)生較大的沉降變形的工程實(shí)例已不鮮見。本文結(jié)合某一工程實(shí)例，采用有限元方法，分析三種不同筑壩速度下，面板堆石壩的應(yīng)力變形特性，分析筑壩速度對面板堆石壩應(yīng)力變形的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 工程概況

某面板堆石壩建于深覆蓋層地基之上。覆蓋層從底部到頂部主要可以劃分為以下幾部分：表部水庫淤積層厚；上部含碎石塊石砂卵礫石層厚；中部砂卵礫石層厚，是河床覆蓋層的主體層；底部含塊碎石的砂卵礫石層厚。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、溢洪洞、泄洪排沙洞、引水發(fā)電洞及岸邊廠房等組成?；炷撩姘宥咽瘔巫畲髩胃?10m，上游坡1∶1.4，下游局部坡度1∶1.35和1∶1.4，下游綜合坡比1∶1.55，壩頂設(shè)有高度為5.2m的“L”型防浪墻與面板相接，壩頂高程805.0m。

1.2 有限元模型

計(jì)算模型考慮壩體和覆蓋層結(jié)構(gòu)，使用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分單元總數(shù)67185，節(jié)點(diǎn)總數(shù)73184，網(wǎng)格剖分圖如圖1所示。數(shù)值計(jì)算真實(shí)模擬壩體的施工過程，同時真實(shí)模擬面板與壩體以及防滲墻與覆蓋層之間的接觸作用，并且模擬面板縫和周邊縫等各種分縫結(jié)構(gòu)。根據(jù)各相應(yīng)的施工速度確定相應(yīng)的有限元步，其中蓄水過程分5步進(jìn)行模擬。模型壩基底面、上下游側(cè)面及左右岸側(cè)面都施加相應(yīng)的法向約束。上游庫水位以下地表邊界及上游壩面施加正常蓄水位。下游水位以下地表邊界及下游壩面施加下游水位。

1.3 計(jì)算參數(shù)和工況

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格剖分圖

鄧肯張E-B模型廣泛應(yīng)用于面板堆石壩數(shù)值計(jì)算的模擬，并能取得較好的結(jié)果，本文采用鄧肯張模型模擬堆石料和覆蓋層的應(yīng)力變形特性。同時采用線彈性模型模擬混凝土面板和混凝土防滲墻的應(yīng)力變形特性。在混凝土結(jié)構(gòu)和土體結(jié)構(gòu)中直接設(shè)置相應(yīng)的接觸特性，模擬混凝土結(jié)構(gòu)和周圍土體以及堆石體的相互作用。本文所采用鄧肯張模型和線彈性模型計(jì)算參數(shù)分別如表1和表2所示。目前面板堆石壩填筑的月上升速度已達(dá)20m/月，它主要受施工機(jī)械、施工道路以及物料供應(yīng)等的影響。本文擬進(jìn)行三種工況的計(jì)算，分別計(jì)算壩體上升速度為10m/月（工況一）、20 m/月（工況二）和40m/月（工況三）面板堆石壩的應(yīng)力變形。全面和詳細(xì)分析快速筑壩對面板堆石壩應(yīng)力變形特性的影響。

表1 鄧肯張模型參數(shù)

圖2 大壩變形隨時間變化曲線

表2 線彈性模型參數(shù)

2 筑壩速度對面板堆石壩應(yīng)力變形影響分析

筑壩強(qiáng)度直接關(guān)系到工程的工期和效益。對于一個工程，合理的筑壩強(qiáng)度可以使工程的施工和效率達(dá)到最優(yōu)。應(yīng)用上述模型，分析不同筑壩速度對大壩應(yīng)力變形特性的影響，包括大壩的整體位移變形，堆石壩的內(nèi)部最大位移變形以及堆石壩的應(yīng)力場。

圖2為不同筑壩強(qiáng)度下，大壩竣工期變形隨時間關(guān)系曲線。由圖可以看出，在同一填筑速度下，大壩竣工后壩體的最大沉降隨時間的增長有所增加，筑壩速度越快后期沉降增加量越大。在工況一下，壩體填筑完畢上游壩面z方向最大沉降量為1.002m，6個月后上游壩面z方向最大沉降量為1.163m，隨著時間的延長，z方向最大沉降量有所增大，但幅度不是很大，增幅為16.06%。工況二、工況三呈現(xiàn)相同的規(guī)律，但增加幅度越來越大，工況二增幅達(dá)75%，工況三增幅達(dá)228%。也就是說，工況一下竣工期壩體沉降已達(dá)總沉降的86%，而工況二和工況三只分別達(dá)到53%和30.4%，說明較高的筑壩速度引起壩體的前期沉降較小，但會引起壩體較大的后期沉降，對壩體的后期施工不利。大壩竣工6個月后，大壩在10m/月的筑壩速度下，壩體軸最大沉降量為1.16m；在20m/月下，壩體軸最大沉降量為1.499m，相對于工況一增加了29.2%；在40m/月下，壩體軸最大沉降量為2.248m，相對于工況一增加了93.8%?？梢郧宄闯?，軸最大沉降量隨著月上升高度的增加而增加；而且月上升高度幅度越大，軸最大沉降量也越大。較快的筑壩速度引起的壩體最終沉降也較大。較快的填筑速度下，壩體的前期沉降相對于較慢填筑速度下小，而后期沉降較大。圖2也給出了壩體填筑完后向后延續(xù)6個月，不同筑壩速度下大壩水平方向最大變形對比圖。由圖可以看出，水平方向最大變形量與z方向最大沉降量隨著時間的延續(xù)有相似的變化曲線。

由于受兩岸山體的約束，且兩岸山巖巖體較硬，無論是哪種工況，大壩壩體都呈現(xiàn)兩岸向中央擠壓變形的趨勢，同時月填筑量越大，變形也越大。由于壩體向中間變形，壩體和兩岸壩肩有張拉的趨勢，壩體和兩岸壩基接觸部位容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。較大拉應(yīng)力將引起壩體拉裂，不利壩體的安全穩(wěn)定，如當(dāng)壩體月上升高度較大時，如40m/月時，在左岸山坡易產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，導(dǎo)致壩體與山巖連接薄弱處拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力，影響壩體穩(wěn)定。

為了保證大壩的安全，不宜過分快速填筑壩體。當(dāng)月填筑速度達(dá)40m時，壩體沉降量很大且壩體內(nèi)部最大沉降量達(dá)到3.521m；水平方向變形量也很大，給后續(xù)面板施工帶來困難。壩體最大拉應(yīng)力發(fā)生在左岸壩體與山巖連接薄弱處，受兩岸山巖向中央擠壓變形大，對壩體安全穩(wěn)定性非常不利。因此在實(shí)際施工中，面板堆石壩的填筑速度并不是越快越好，快速的填筑速度引起較大的壩體沉降和壩肩的拉應(yīng)力不利大壩穩(wěn)定，應(yīng)該擬定既經(jīng)濟(jì)又安全的壩體填筑速度。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)值方法模擬面板堆石壩在不同筑壩速度下的應(yīng)力變形特性，通過三種不同壩體填筑速度下面板堆石壩應(yīng)力變形的比較分析得出：較快的筑壩速度下，壩體竣工期產(chǎn)生的沉降相對較慢的筑壩速度下的最大沉降相對較小，但是快速的筑壩速度將引起較大的壩體后期沉降，40m/月的筑壩速度下壩體的后期沉降達(dá)70%，為了保證大壩的安全，不宜過分快速填筑壩體?？焖僦嗡俣认?，壩體在產(chǎn)生過大的后期變形的同時，壩體與山巖連接處易產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，對壩體安全穩(wěn)定性非常不利。因此實(shí)際施工中，面板堆石壩的筑壩速度應(yīng)合理安排確定，不宜過分的追求快速。陜西水利

[1]酈能惠,楊澤艷.中國混凝土面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)步.巖土工程學(xué)報.2012;34(8):1361-8.

[2]鄧銘江.嚴(yán)寒、高震、深覆蓋層混凝土面板壩關(guān)鍵技術(shù)研究綜述.巖土工程學(xué)報.2012;34(6):985-96.

[3]王啟國.金沙江虎跳峽河段河床深厚覆蓋層成因及工程意義.巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2009;28(7):1455-66.

[4]溫續(xù)余,徐澤平,邵宇,呂生璽.深覆蓋層上面板堆石壩的防滲結(jié)構(gòu)形式及其應(yīng)力變形特性.水利學(xué)報.2007;38(2):211-6.

[5]岑威鈞,沈長松,童建文.深厚覆蓋層上復(fù)合土工膜防滲堆石壩筑壩特性研究.巖土力學(xué).2009;30(1):175-80.

[6]丁艷輝,張其光,張丙印.高心墻堆石壩防滲墻應(yīng)力變形特性有限元分析.水力發(fā)電學(xué)報.2013;32(3):162-7.

[7]酈能惠,米占寬,孫大偉.深覆蓋層上面板堆石壩防滲墻應(yīng)力變形性狀影響因素的研究.巖土工程學(xué)報.2007;29(1):26-31.