楊英（喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院新疆喀什844000）

壩料孔隙率對(duì)面板堆石壩應(yīng)力變形的影響分析

楊英
（喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院新疆喀什844000）

本文以黃河公伯峽水電站面板堆石壩為計(jì)算模型，根據(jù)不同干密度的材料試驗(yàn)得到的參數(shù)，對(duì)堆石區(qū)不同干密度工況進(jìn)行了計(jì)算，分析了壩料干密度對(duì)大壩應(yīng)力變形的影響規(guī)律，可以為進(jìn)一步的大壩變形反演分析和應(yīng)力變形預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

面板堆石壩；孔隙率；應(yīng)力變形；影響

堆石料的干密度作為面板堆石壩施工的重要參數(shù)之一，對(duì)壩體的變形有較大影響［1-3］。而在實(shí)際的填筑過(guò)程中干密度往往在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。面板堆石壩施工中采用不同干密度直接影響大壩施工期和運(yùn)行期的應(yīng)力變形特性，因此實(shí)際大壩施工控制干密度的選取至關(guān)重要，特別是干密度對(duì)于特高壩的影響更加突出和明顯［4，5］。分析壩料孔隙率（干密度）大壩應(yīng)力變形特性的影響，有助于指導(dǎo)實(shí)際施工中材料參數(shù)的選取，同時(shí)也可以為后期大壩應(yīng)力變形的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。本文基于公伯峽面板堆石壩，分析壩料孔隙率對(duì)面板堆石壩應(yīng)力變形特性的影響，為大壩安全性提供依據(jù)。

1　工程概況

黃河公伯峽水電站是黃河上游龍羊峽至青銅峽河段中的第四個(gè)大型梯級(jí)電站，它位于青海省循化撒拉族自治縣和化隆回族自治縣交界處，該水電站是一個(gè)以發(fā)電為主、兼顧灌溉及供水的一等大（I）型水電樞紐工程。水電站總庫(kù)容達(dá)6.2億m3，總裝機(jī)容量1500MW。水庫(kù)采用混凝土面板堆石壩進(jìn)行擋水，大壩最大壩高為132.2m已于2005年竣工。大壩布置在主河床，壩頂高程為2010m，壩頂長(zhǎng)度429m，壩頂寬10m。大壩上游壩坡為1: 1.4，下游壩坡為1:1.5～1:1.3，綜合坡比為1: 1.79。大壩填筑總量達(dá)439萬(wàn)m3，由開(kāi)挖料作為壩體填筑的主要料場(chǎng)。

2　不同孔隙率壩料力學(xué)特性試驗(yàn)

壩體實(shí)際的填筑過(guò)程中干密度在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)是在所難免的，為了研究干密度波動(dòng)的影響，本節(jié)分別針對(duì)開(kāi)挖料主堆石和次堆石進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)，主要包括不同干密度試樣的大型三軸試驗(yàn)。研究孔隙率對(duì)壩料變形特性的影響，從而初步推斷減小孔隙率對(duì)于減小壩料變形的影響規(guī)律。探討施工參數(shù)對(duì)壩體變形的影響規(guī)律，為設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。設(shè)計(jì)干密度在常規(guī)干密度（2.08g/cm3）的基礎(chǔ)上增大2%和減小2%，本文分別稱其為較高干密度、常規(guī)干密度和較低干密度的試樣。

從大型三軸試驗(yàn)結(jié)果可以看出：同樣的試驗(yàn)條件下，試樣的峰值偏差應(yīng)力隨著干密度提高而增高；試樣的剪脹性也隨著干密度的提高而略有提高。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果求得清華混合料模型的參數(shù)，干密度的變化主要影響強(qiáng)度參數(shù)、模量參數(shù)和體變參數(shù)。在面板堆石壩施工過(guò)程中干密度可能變化的范圍內(nèi)，試樣的力學(xué)特性變化并不太大，如本項(xiàng)目試驗(yàn)采用的干密度增加或減小2%的范圍內(nèi)，其強(qiáng)度參數(shù)變化不超過(guò)3%，模量參數(shù)變化不超過(guò)1%，體變參數(shù)變化也不太大。過(guò)渡料和排水料的反濾試驗(yàn)表明其具有較好的滲透穩(wěn)定性。

3　計(jì)算模型

3.1計(jì)算條件和三維網(wǎng)格

三維有限元分析設(shè)計(jì)剖面圖進(jìn)行。該設(shè)計(jì)方案考慮到開(kāi)挖料的滲透性較弱，在過(guò)渡料下面設(shè)計(jì)了強(qiáng)排水體。根據(jù)該設(shè)計(jì)方案以及積石峽面板堆石壩的地形，進(jìn)行三維網(wǎng)格剖分，其網(wǎng)格圖如圖1所示。其中網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)10943，單元數(shù)8933。在計(jì)算中模擬了壩體分層均勻上升的填筑過(guò)程，壩體施工結(jié)束后再進(jìn)行面板施工。壩體竣工以后蓄水至設(shè)計(jì)水位。本次計(jì)算考慮了壩體與基巖的接觸面、采用了試驗(yàn)結(jié)果確定了擠壓墻以及其與面板接觸面的相關(guān)參數(shù)，并且對(duì)面板豎縫進(jìn)行了模擬。其中剖分網(wǎng)格還考慮了覆蓋層不挖的情況。

圖1　大壩三維有限元網(wǎng)格

3.2本構(gòu)模型和參數(shù)

本文采用清華混合料加載本構(gòu)模型，本模型采用如下沈珠江建議的雙屈服面判斷是否產(chǎn)生塑性應(yīng)變。該模型共8個(gè)參數(shù)：c'，φ'，K，n，Rf和G、F、D，均可根據(jù)一組不同圍壓的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果確定。其中前五個(gè)參數(shù)與沈珠江雙屈服面模型相同，可采用與之相同的方法加以確定。其它模型參數(shù)通過(guò)將三種單一成分料的模型參數(shù)根據(jù)所占比例直接進(jìn)行平均得到。根據(jù)試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線和體變曲線，可以得到沈珠江模型和清華開(kāi)挖料加載模型參數(shù)如表1所示。

表1　主堆石材料參數(shù)

表2　應(yīng)力變形計(jì)算最大值

4　壩料孔隙率對(duì)大壩應(yīng)力變形的影響分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定的三種不同干密度的材料參數(shù)，進(jìn)行了大壩的應(yīng)力變形分析。表2匯總出了大壩應(yīng)力變形的最值。由計(jì)算結(jié)果可以看出，干密度對(duì)壩體的應(yīng)力變形有一定影響。在竣工期，壩體密度越大，壩體沉降越小，壩體沉降隨著密度的增加逐漸減小。同時(shí)壩體中密和低密工況下壩體變形相對(duì)較為接近，而壩體高密工況下，變形量相對(duì)較小。兩種計(jì)算模型下，壩體順河向位移和軸向位移隨著壩體密度的變化規(guī)律基本相似，只是順河向位移和軸向位移顯然小于壩體沉降。總體而言在施工過(guò)程中干密度可能變化范圍內(nèi)，其影響有限，從應(yīng)力和變形的角度大壩安全性是滿足的。

蓄水完成階段，兩種計(jì)算模型下，壩體的沉降均隨壩體密度的增加而變小。壩體材料高密工況下，壩體的沉降顯然小于壩體中密和低密度的工況。此外蓄水完成階段壩體順河向位移和軸向位移隨壩體密度的變化規(guī)律與施工期的結(jié)果基本一致。在數(shù)值上竣工期高密度壩體工況相對(duì)于低密度壩體工況壩體沉降減小5.7cm，相對(duì)值為12.6%，而蓄水完成階段上述相應(yīng)壩體沉降減小量為5.5cm，相對(duì)值為11.3%。上述結(jié)果說(shuō)明，壩體竣工期沉降隨壩體密度的變化，相對(duì)蓄水完成階段相對(duì)還較大。相似地，竣工期順河向位移和軸向位移高壩體密度相對(duì)于低壩體密度的相對(duì)減小量分別為13.0%和9.7%。而蓄水期上述相應(yīng)減小量分別為18.3%和11.8%?？傮w而言，上述分析表明施工期壩體沉降對(duì)于壩體的密度較為敏感，而蓄水期順河向位移和軸向位移對(duì)于壩體的密度較為敏感。

由面板應(yīng)力變形隨壩體密度變化分析表明，對(duì)于兩種數(shù)值本構(gòu)模型，在不同壩體密度下，面板順坡向應(yīng)力和水平向應(yīng)力基本保持不變，壩體高密度相對(duì)于低密度最大順坡向應(yīng)力和水平向應(yīng)力的的變化量分別只有0.2MPa和0.3MPa。上述結(jié)果表明，壩體密度都面板的應(yīng)力分布和值的影響并不明顯，甚至可以忽略。但是壩體密度對(duì)面板撓度的影響相對(duì)較大，高壩體密度相對(duì)于低壩體密度的最大面板撓度該變量達(dá)1.4cm，相對(duì)量為9.5%。面板撓度對(duì)壩體的不同密度相對(duì)較為敏感，考慮到前述壩體變形所受壩體密度的影響情況，可以看出，不同壩體密度情況下，面板的安全性是可以保證的。

5　結(jié)語(yǔ)

由計(jì)算結(jié)果分析得出：干密度對(duì)壩體的應(yīng)力變形有一定影響，壩體變形隨著干密度的增高而減小，面板撓度也有一定程度的減小，不同干密度計(jì)算得到的壩體變形和面板撓度的分布形勢(shì)基本是一致的；在施工過(guò)程中干密度可能變化的范圍內(nèi)，壩料干密度對(duì)其應(yīng)力變形的影響不大，從應(yīng)力和變形的角度看，大壩的安全性是滿足的。陜西水利

（責(zé)任編輯：暢妮）

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