，

(1.蘭州城市學(xué)院，蘭州 730000； 2.瑞和安惠項(xiàng)目管理集團(tuán)有限公司，石家莊 050000)

1 概 述

混凝土面板堆石壩是在堆石體上游面坡處設(shè)置一層混凝土面板而防滲的壩型，它具備對地質(zhì)地形適應(yīng)性強(qiáng)、施工方便、投資省、運(yùn)行安全以及抗震性好等特點(diǎn)[1]。隨著碾壓混凝土技術(shù)的發(fā)展，混凝土面板堆石壩逐步在我國得到非常廣泛的應(yīng)用，其數(shù)量及壩高均在不斷增加[2]。因我國幅員遼闊，各地區(qū)之間的地質(zhì)地形有較大差異，在施工過程中可能遇到覆蓋層厚度較大的河谷地形，為避免因開挖全部覆蓋層使工程量及工程投資過大，需在深厚覆蓋層上修建混凝土面板堆石壩。深覆蓋層上的面板堆石壩受覆蓋層影響，在施工期即會產(chǎn)生沉降變形，在運(yùn)行期壩體的沉降變形將會越來越大，若工程措施采用不當(dāng)，壩體將產(chǎn)生過大裂縫使壩體整體性遭到破壞，導(dǎo)致滲漏等問題，嚴(yán)重影響壩體的安全運(yùn)行。因此，研究深覆蓋層復(fù)雜地基上混凝土面板堆石壩的應(yīng)力變形問題是非常必要的。鑒于此，本文以建立在深覆蓋層上的察汗烏蘇混凝土面板堆石壩為研究對象，應(yīng)用ANSYS軟件建立其三維有限元模型，模擬大壩分層填筑及加載的過程，并對大壩竣工期、死水位、正常蓄水位等工況下堆石體及混凝土面板的應(yīng)力變形情況進(jìn)行分析，以期揭示深覆蓋層上混凝土面板堆石壩在各工況下的應(yīng)力變形規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供支持。

2 材料與研究方法

2.1 工程概況

察汗烏蘇水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，電站總裝機(jī)容量300 MW，正常蓄水位以下庫容1.083×108m3，屬于大(Ⅱ)型水利樞紐工程，水庫死水位為1 610.00 m，正常蓄水位為1 645.00 m。大壩壩型為混凝土面板堆石壩，大壩長度為347.36 m，壩頂寬度為10.0 m，壩頂高程1 561.6 m，最大壩高為107.6 m，上游壩坡為1∶1.5，面板厚度為1.0～1.8 m，下游平均坡度為1∶1.80。大壩堆石料由上游至下游依次為墊層料、過度料、主砂礫石、次砂礫石、下游堆石料。壩址河床覆蓋層平均厚度達(dá)40 m，地基處理方式為將趾板直接放置在砂礫石覆蓋層上，在覆蓋層內(nèi)部設(shè)置一道長度為120.11 m的混凝土防滲墻進(jìn)行地基防滲，并通過連接板、趾板與混凝土面板相連，形成完整的防滲體系。壩體典型斷面見圖1。

2.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

在有限元數(shù)值模擬中，壩體及地基材料采用Duncan Chang 非線彈性E-B模型[3-6]，通過ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言ADPL對其進(jìn)行二次開發(fā)，混凝土面板及混凝土防滲墻采用線彈性模型，混凝土面板與墊層、防滲墻與覆蓋層之間的接觸面采用無厚度Goodman接觸單元[7-10]進(jìn)行模擬。

Duncan Chang 非線彈性E-B模型的切線彈性模量Et計(jì)算公式為：

(1)

切線體積模量Bt計(jì)算公式為：

(2)

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；Pa為大氣壓力；C、φ為土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Rf為破壞比；K為彈性模量；n為彈性模量指數(shù)；Kb為體積模量；m為體積模量指數(shù)。

由室內(nèi)三軸試驗(yàn)得到壩基及壩體各分區(qū)材料參數(shù)[11]，見表1。

圖1 察汗烏蘇混凝土面板堆石壩典型橫剖面圖(高程單位：m)Fig.1 The Typical transverse section plan of concrete face rockfill dams of Chahanwusu(Elevation Unit：m)

材料名稱γd/g·(cm3)-1KKbRfnmφ/(°)Δφ/(°)主砂礫石2.1912605220.8910.400.1753.210.4次砂礫石2.169304150.8230.280.0551.49.3下游堆石料2.109004650.8660.370.1554.410.7過渡料2.201 4006650.9500.420.4051.27.9墊層料2.201 5006750.9500.420.4051.27.9壩基砂礫石2.141 2004500.8400.440.2048.57.2壩基粗砂1.848504050.7450.330.0446.53.2面板2.35280 000140 000///40.0/防滲墻2.35315 000150 000///40.0/

2.3 有限元模型

根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)在ANSYS中建立三維有限元模型，見圖2。坐標(biāo)采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)為壩體中線與覆蓋層表面的交點(diǎn)，順?biāo)鞣较驗(yàn)閄正向，豎直朝上為Y正向，沿壩軸線從左岸至右岸方向?yàn)閆正向。為考慮到壩基深覆蓋層對大壩應(yīng)力變形的影響，模型壩基及壩肩部位的范圍設(shè)為：自上游壩腳處向上游方向延伸100 m，自下游壩腳處向下游方向延伸150 m，壩基厚度取為覆蓋層的平均厚度40 m，壩肩自堆石體左右側(cè)面各向外延伸50 m，堆石體、混凝土面板及覆蓋層部位均采用三維實(shí)體單元Solid65進(jìn)行網(wǎng)格劃分，混凝土面板與墊層的接觸面分別采用目標(biāo)單元Targe170及接觸單元Conta173來劃分目標(biāo)面及接觸面以模擬兩者的相互作用，計(jì)算模型共劃分單元總數(shù)31 320個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)34 626個。模型底部施加固定約束，上下游邊界面及左右邊界面均施加法向約束，其余結(jié)構(gòu)面均為自由面。為模擬壩體的分層填筑施工過程，利用ANSYS的“單元生死”功能對壩體進(jìn)行分級加載[12-13]。

圖2 察汗烏蘇混凝土面板堆石壩三維有限元計(jì)算模型Fig.2 The three-dimensional finite element model of Chahanwusu concrete face rockfill dams

3 結(jié)果與分析

3.1 壩體應(yīng)力變形特性

本文選取最大壩高典型斷面對察汗烏蘇混凝土面板堆石壩的應(yīng)力變形特性進(jìn)行分析。現(xiàn)以大壩竣工期工況為例進(jìn)行分析，圖3為竣工期大壩主應(yīng)力等值分布云圖。由圖3可知，壩體竣工后在自重應(yīng)力作用下，大主應(yīng)力對應(yīng)的最大受拉區(qū)位于上游壩腳處混凝土面板與趾板連接處，最大拉應(yīng)力值為21.60 kPa。大主應(yīng)力對應(yīng)的最大受壓區(qū)位于壩體橫剖面中部對應(yīng)的覆蓋層底部，最大壓應(yīng)力值為2.12 MPa。小主應(yīng)力對應(yīng)的最大受拉區(qū)同樣位于混凝土面板與趾板連接處，最大拉應(yīng)力為0.87 kPa。小主應(yīng)力對應(yīng)最大受壓區(qū)同樣位于壩體橫剖面中部對應(yīng)的覆蓋層底部，最大壓應(yīng)力為3.74 MPa。

圖3 竣工期大壩主應(yīng)力等值分布云圖(單位：Pa)Fig.3 The chorogram of principal stress at the time of completion (Unit: Pa)

圖4為竣工期大壩變形位移等值分布云圖。由圖4可知，對于X向橫向變形，竣工期上游壩體向逆流方向發(fā)生變形，而下游壩體向順流方向發(fā)生變形，最大順流位移位于下游壩腳底部覆蓋層下約10 m處，其值為12.32 cm，最大逆流位移位于上游壩腳底部覆蓋層下約20 m處，其值為12.98 cm，可見竣工期上下游壩體橫向位移最大值大致相等。對于Y向豎直變形，壩體整體發(fā)生下沉，最大沉降量為65.02 cm，最大沉降變形區(qū)域位于偏向壩體底部的位置，而修建于基巖上的壩體最大沉降變形區(qū)域往往位于壩體中部位置，因此可見深覆蓋層對其上部的壩體的沉降變形有較明顯的影響。

將3種工況下大壩的應(yīng)力變形分析結(jié)果匯總，見表2。對比分析3種工況下壩體應(yīng)力分布可知，3種工況下大壩大小主應(yīng)力對應(yīng)的最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力發(fā)生的位置大致相同，但隨庫水位的增加，壩體大主應(yīng)力最值逐漸增大，而小主應(yīng)力最值略有減小。因蓄水作用，大壩墊層區(qū)大小主應(yīng)力對應(yīng)的壓應(yīng)力均有所增大，譬如與竣工期相比，死水位工況下墊層區(qū)大主應(yīng)力對應(yīng)的壓應(yīng)力最大值由0.22 MPa增加至0.68 MPa。總體上，蓄水后大壩上游大主應(yīng)力受壓區(qū)范圍較下游為大，因此大壩大主應(yīng)力呈不對稱分布，而小主應(yīng)力呈對稱分布。對比分析3種工況下壩體位移分布可知，庫區(qū)蓄水后水壓力通過面板傳遞至堆石體，隨庫水位的增加，上游壩體的逆流向位移將顯著減小，且其最大值區(qū)域逐漸向上游移動，而下游壩體的順流向位移略有增加，且其最大值區(qū)域逐漸向下游移動。對于豎向位移，蓄水引起的壩體下沉量增加不大。

圖4 竣工期大壩變形位移等值分布云圖(單位：m)Fig.4 The chorogram of dam′s deformation and displacement at the time of completion(Unit: m)

工況大主應(yīng)力 /MPa小主應(yīng)力 /MPa橫向位移 /cm最大壓應(yīng)力最大拉應(yīng)力最大壓應(yīng)力最大拉應(yīng)力逆流向最大位移順流向最大位移豎向位移最大下沉量/cm竣工期2.1221.603.740.8712.9812.3265.02死水位2.1622.703.700.8611.7913.0264.91正常蓄水位2.2123.503.690.8611.6614.2266.18

3.2 混凝土面板應(yīng)力變形特性

對3種工況下混凝土面板的應(yīng)力變形特性進(jìn)行分析。圖5為竣工期大壩混凝土面板主應(yīng)力等值分布云圖。由圖5可看出，對于大主應(yīng)力，竣工后面板主要受到壓應(yīng)力作用，僅在面板上部及岸坡處出現(xiàn)較小拉應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在面板底端中部位置。對比分析3種工況下面板應(yīng)力分布云圖(圖略)可知，蓄水后，在水壓力作用下，面板頂部的拉應(yīng)力及中下部的壓應(yīng)力均有所增加，蓄水至正常蓄水位時，拉應(yīng)力最大值為1.84 MPa，壓應(yīng)力最大值為4.12 MPa。對于小主應(yīng)力，竣工后面的板河床段部位主要處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而岸坡部位處于拉應(yīng)力狀態(tài)，其中壓應(yīng)力最大值為22.40 MPa，拉應(yīng)力最大值為1.63 MPa，蓄水后在水壓作用下，隨庫水位的增加面板所受拉應(yīng)力值逐漸增大，而壓應(yīng)力值逐漸減小，蓄水至正常蓄水位時，壓應(yīng)力最大值減小至14.90 MPa，拉應(yīng)力最大值增大至3.03 MPa，可見壓應(yīng)力的變化幅度明顯大于拉應(yīng)力變化幅度。

圖6為竣工期大壩混凝土面板變形位移等值分布云圖。由圖6可看出，對于X向橫向位移，竣工后面板兩側(cè)發(fā)生了較小的順流向位移，其最大值僅有0.06 cm，而面板中部即河床段部位發(fā)生了逆流向位移，且其值較大，最大逆流位移為5.85 cm。由此可見，竣工后混凝土面板產(chǎn)生鼓起脫空的現(xiàn)象，因此要求面板混凝土材料具有一定抗彎能力。對比分析3種工況下面板變形位移分布云圖(圖略)可知，蓄水后隨庫水位的增加，面板順流向位移明顯增加，而逆流向位移減小。蓄水至正常蓄水位時，面板中下部出現(xiàn)較大順流向位移，而面板四周出現(xiàn)較大逆流向位移，其中順流位移最大值達(dá)7.80 cm，逆流位移最大值為1.00 cm，由此可見隨庫水位增加面板的鼓起脫空現(xiàn)象將逐漸消失。對于Y向的位移變形，3種工況下面板均僅發(fā)生向下的沉降，最大沉降區(qū)域出現(xiàn)在面板底部。隨庫水位增加，面板沉降量逐漸增大，蓄水至正常蓄水位時最大沉降量達(dá)7.80 cm。

3種工況下大壩混凝土面板的應(yīng)力變形分析結(jié)果匯總見表3。

圖5 竣工期大壩混凝土面板主應(yīng)力等值分布云圖(單位：Pa)Fig.5 The chorogram of principal stress on dam′s concrete panel at the time of completion(Unit: Pa)

圖6 竣工期大壩混凝土面板變形位移等值分布云圖(單位：m)Fig.6 The chorogram of deformation and displacement on dam′s concrete panel at the time of completion(Unit: m)

工況大主應(yīng)力 /MPa小主應(yīng)力 /MPa橫向位移 /cm最大壓應(yīng)力最大拉應(yīng)力最大壓應(yīng)力最大拉應(yīng)力逆流向最大位移順流向最大位移豎向位移最大下沉量/cm竣工期3.660.0922.401.635.850.068.40死水位3.890.5517.201.902.402.9812.50正常蓄水位4.121.8414.903.031.007.8017.50

4 結(jié) 論

1) 3種工況下，壩體大小主應(yīng)力對應(yīng)的最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在混凝土面板與趾板連接處，最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在壩體橫剖面中部對應(yīng)的深覆蓋層底部。蓄水后壩體大主應(yīng)力呈偏向上游的不對稱分布，小主應(yīng)力呈對稱分布。隨庫水位增加，壩體大主應(yīng)力逐漸增大，小主應(yīng)力略有減小。

2) 3種工況下，在X方向上游壩體向逆流方向發(fā)生位移變形，下游壩體向順流方向發(fā)生位移變形，隨庫水位的增加，逆流向橫向位移減小，最大逆流位移區(qū)域向上游移動；順流向橫向位移增加，最大順流位移區(qū)域向下游移動。3種工況下在Y向壩體均只發(fā)生向下的位移變形，隨水位的增加，豎向變形變化不大。

3) 竣工后面板大主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，且底部壓應(yīng)力最大，壩頂及岸坡出現(xiàn)較小拉應(yīng)力，隨庫水位增加，面板壓應(yīng)力及拉應(yīng)力均增大?？⒐ず竺姘搴哟捕涡≈鲬?yīng)力主要為壓應(yīng)力而兩岸坡處面板部分小主應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，隨庫水位增加，面板所受拉應(yīng)力增大而壓應(yīng)力減小，但壓應(yīng)力變化幅度較大。

4) 竣工后面板兩岸坡部分發(fā)生較小的順流向橫向位移，而河床段發(fā)生較大的逆流向橫向位移，面板出現(xiàn)鼓起脫空現(xiàn)象，隨庫水位增加，面板順向位移逐漸增大，而逆向位移逐漸減小，脫空現(xiàn)象逐漸消失。3種工況下在Y向面板均只發(fā)生向下的位移變形，最大值出現(xiàn)在面板底端中部，且隨庫水位增加其值逐漸增大。