石永磊

(新疆水利水電項目管理有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

我國已經(jīng)建成的混凝土面板堆石壩有170多個[1]。其中40多個的高度超過100 m，例如：水布崖大壩233 m，江平河大壩221 m，三板溪大壩186 m，洪家渡大壩179.5 m，天生橋一號大壩178 m，灘坑大壩162 m。近年來發(fā)現(xiàn)，其中的一些大壩在面板上出現(xiàn)了裂縫。

觀測大壩變形是為了保障工程安全運(yùn)行[2]。過大的變形是大壩或其地基潛在問題的唯一表面跡象。觀測大壩變形的另一個原因是需要更好地了解土石方的基本設(shè)計概念、應(yīng)力變形特性以及土石方的巖土特性[3]。預(yù)測方法的發(fā)展，可以確定變形和應(yīng)力分布，并將預(yù)測值與觀測值進(jìn)行比較，這是控制安全生產(chǎn)的非常有效的工具[4]。

本文描述了在水庫蓄水期間，利用監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證面板堆石壩設(shè)計特性的有點(diǎn)。研究表明，監(jiān)測結(jié)果與有限元分析的實(shí)時融合結(jié)果顯示，混凝土面板的變形在庫水位達(dá)到最大水位之前達(dá)到臨界值。這些信息可以給工程團(tuán)隊提供啟示，以采取適當(dāng)?shù)男袆樱瑥亩乐够炷撩姘宓拈_裂。對監(jiān)測與預(yù)測分析結(jié)果之間的差異進(jìn)行實(shí)時檢測和評價，可以對大壩面板進(jìn)行重新設(shè)計，防止混凝土面板開裂。并以新疆某水利工程的主壩為例進(jìn)行了說明。

1 混凝土面板堆石壩

1.1 簡介

混凝土面板堆石壩(CFRD)的高度可能超過200 m，適合在凍土區(qū)域進(jìn)行修筑。通過使用對凍害不敏感的堆石料類型和施工工藝可以延長施工季節(jié)。與土壩建設(shè)的總工期相比，混凝土面板堆石壩的總工期平均縮短了一年。縮短的建設(shè)時間大大降低了建設(shè)成本，這使得使水利水電建設(shè)項目更加經(jīng)濟(jì)化。有關(guān)專家指出，在世界上氣候極端的地區(qū)，修建這種類型的大壩是最好的選擇。大多數(shù)已經(jīng)建成的混凝土面板堆石壩都位于基巖上。然而，也有一些混凝土面板堆石壩是在土基上建造的，除了個別例子，大多數(shù)土基上的堆石壩其地基沖積層厚度一般不超過70 m。

1.2 破壞機(jī)理

混凝土面板堆石壩安全的主要問題是混凝土面板的變形。在水庫蓄水過程中，水的荷載和堆石壩的變形迫使混凝土面板發(fā)生變形。混凝土面板起到了防滲膜的作用，面板上的任何裂縫的發(fā)展都會讓水滲入大壩的堆石層，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減弱甚至松動。根據(jù)面板堆石壩的工作狀態(tài)、受力分布和水力特性，對堆石壩填筑材料進(jìn)行合理分區(qū)，在保證運(yùn)行安全的前提下，充分利用結(jié)構(gòu)開挖材料，減少投資。

在堆石壩施工過程中，由于有效應(yīng)力的變化以及蠕變和二次時間效應(yīng)的影響，壩體內(nèi)部會發(fā)生變形。在水庫的第一次蓄水期間，大壩和混凝土表面可能會發(fā)生相當(dāng)大的移動。此后，移動速率通常隨時間而減小，但與水庫周期性升降以及地震或構(gòu)造板塊運(yùn)動相關(guān)的變化除外。在典型的面板堆石壩中，混凝土面板是在堆石壩施工結(jié)束后施工的，在水庫蓄水過程中，估算混凝土面板的位移并驗(yàn)證這些位移是否低于與混凝土面板結(jié)構(gòu)完整性相適應(yīng)的位移是非常重要的

2 實(shí)例研究

2.1 工程概況

新疆吉音水利樞紐工程位于東經(jīng) 81°33′，北緯 36°11′，屬于新疆和田地區(qū)于田縣境內(nèi)，工程距離自治區(qū)首府烏魯木齊1 418 km、距和田市區(qū)323 km、距縣城120 km，是克里雅河干流上的一項以防洪為主、并且能進(jìn)行發(fā)電的大型水利工程。本文以該工程主壩作為實(shí)例進(jìn)行研究。

2.2 混凝土面板堆石壩參數(shù)

表1 混凝土面板堆石壩設(shè)計巖土參數(shù)

圖1 大壩分區(qū)結(jié)構(gòu)與有限元分區(qū)

大壩建設(shè)遇到了一定的困難。在設(shè)計階段，對大壩進(jìn)行了有限元分析。在分析中，堆石體采用雙曲線模型，巖土參數(shù)如表1所示。在約1/3的壩高處，混凝土面板的最大變形預(yù)測值為0.60 m。前人也進(jìn)行了有限元分析，計算出混凝土工作面的最大預(yù)測位移值為0.653 m。

與已完工工程相比，洪家渡大壩面板撓度為0.45 m，天生橋大壩面板撓度為0.70 m，大壩面板撓度為0.60 m?？烧J(rèn)為本工程設(shè)計變形過小。

圖2展示了大壩的分區(qū)結(jié)構(gòu)。蓄水過程中，混凝土面板裂縫開始擴(kuò)展。裂縫從面板的第一階段開始擴(kuò)展。在水庫水位達(dá)到100 m之前，觀測到了255條裂縫。裂縫的一般特征為：寬度小于0.1 mm的195條，小于0.03 mm的54條，寬度為0.3 mm的裂縫6條?；炷撩姘辶芽p的發(fā)展趨勢表明，其實(shí)際變形比預(yù)計的要大，甚至超過了最大允許變形。混凝土面板的變形場與大壩堆石體的一致。堆石料變形較大的原因很可能是現(xiàn)場巖土參數(shù)與大壩設(shè)計時的值不同。

2.3 混凝土面板堆石壩監(jiān)測

在水庫蓄水初期，利用內(nèi)部電線引伸儀(圖2)監(jiān)測堆石體內(nèi)各點(diǎn)的內(nèi)部位移，進(jìn)行巖土工程監(jiān)測。

圖2 內(nèi)部電線引伸儀

監(jiān)測點(diǎn)的位置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)的位置

填滿水庫期間測得的1-25號點(diǎn)位、1-29號點(diǎn)位和1-32號點(diǎn)位的沉降量分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 1-25號點(diǎn)位沉降量

圖5 1-29號點(diǎn)位沉降量

圖6 1-32號點(diǎn)位沉降量

3 有限元分析

有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)是一種利用數(shù)學(xué)方法對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬的方法。其元素(單元)構(gòu)造簡單但又相輔相成，可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

有限元分析是將復(fù)雜的問題用較為簡單的問題替代，再進(jìn)行計算。有限元的解集是由很多成為有限元的單元組成，其中每個單元都存在一個相近的解。但由于大多數(shù)問題無法得到準(zhǔn)確解，有限元的精度能滿足大多實(shí)際工程的需求，有限元方法能適應(yīng)復(fù)雜問題的求解，并且計算精度很高。是一種工程上適用的手段。

本研究的目的是為了揭示大壩蓄水過程中混凝土面板裂縫的發(fā)展規(guī)律。研究分為兩個階段，研究的第一階段是利用表1中給出的巖土參數(shù)值來再現(xiàn)前人獲得的有限元結(jié)果。第二階段研究是使用一組新的巖土參數(shù)進(jìn)行有限元分析，這些參數(shù)的值是利用監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)的。有限元分析采用雙曲線堆石體模型。使用Sigma/W軟件進(jìn)行有限元分析。有限元模型如圖2所示。

首先采用設(shè)計巖土參數(shù)進(jìn)行有限元分析，得到混凝土板變形最大值為0.50 m，計算位移如圖7所示，與前人、實(shí)際工程得到的最大值較為相符。將1-25號點(diǎn)、1-29號點(diǎn)和1-32號點(diǎn)的沉降量與實(shí)測沉降量進(jìn)行比較。前者的沉降量明顯小于實(shí)測值(圖4、圖5和圖6)。結(jié)果表明，預(yù)測分析中使用的巖土參數(shù)與實(shí)測值不符。

第二次有限元分析是利用校準(zhǔn)后的堆石體巖土參數(shù)進(jìn)行的。土工參數(shù)如表2所示。大壩混凝土面板最大變形為1.18 m(圖3)。1-25號點(diǎn)、1-29號點(diǎn)和1-32號點(diǎn)的計算沉降量大于設(shè)計階段的計算值(圖4、圖5和圖6)。

表2 經(jīng)驗(yàn)證的巖土參數(shù)

圖7展示了面板堆石壩蓄水結(jié)束時的計算沉降量，表明了使用設(shè)計巖土參數(shù)時最大水位的最大沉降值。當(dāng)水庫水位達(dá)到30 m時，用實(shí)際巖土參數(shù)模擬的大壩最大位移大于最大預(yù)測位移。

圖7 面板堆石壩蓄水結(jié)束時的計算沉降量(m)

4 結(jié)語

研究表明，將監(jiān)測結(jié)果與有限元分析進(jìn)行實(shí)時融合可在庫水位達(dá)到最大水位前，產(chǎn)生混凝土面板變形臨界值的信息。監(jiān)測結(jié)果和有限元分析的融合過程應(yīng)同時應(yīng)用實(shí)際測量結(jié)果和有限元結(jié)果的數(shù)據(jù)，并通過特定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行互聯(lián)。實(shí)時融合的結(jié)果為工程團(tuán)隊提供了及時的預(yù)警，以便采取適當(dāng)?shù)男袆樱瑥亩乐够炷帘砻娈a(chǎn)生裂縫。