徐澤平，陸 希，翟迎春，嚴(yán)祖文，姬 陽，徐 耀，4

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；3.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；4.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 研究背景

作為一種以堆石材料為主的土石壩壩型，混凝土面板堆石壩通常對壩址的地形條件具有較好的適應(yīng)性。國內(nèi)外工程實(shí)踐表明，在狹窄河谷和寬闊河谷上均有修建混凝土面板堆石壩的成功案例[1]。哥倫比亞的安其卡亞(Alto Anchicaya)面板堆石壩，壩高140 m，壩頂長280 m，壩頂長與壩高的比值為2.0。巴西的阿里亞(Foz do Areia)面板堆石壩，壩高160 m，壩頂長828 m，壩頂長與壩高的比值為5.18。我國的天生橋一級面板堆石壩，壩高178 m，壩頂長1137 m，長高比6.39。猴子巖面板堆石壩，壩高223.5 m，壩頂長278.35 m，長高比1.25。安其卡亞大壩和猴子巖大壩的壩頂長與壩高的比值分別為2.0和1.25，是典型的峽谷地形中的面板壩，而天生橋一級和阿里亞壩的壩頂長與壩高的比值分別為6.39和5.18，是典型的寬河谷中的面板壩。

盡管混凝土面板堆石壩對壩址地形條件的適應(yīng)有著較大的寬容性，但是，不同的地形條件對于混凝土面板壩壩體和面板的應(yīng)力和變形仍會產(chǎn)生一定程度的影響。河谷的寬窄、岸坡的陡緩、兩岸坡的對稱性等均可直接影響壩體和面板的應(yīng)力變形分布，以及面板周邊縫的位移。近些年來，隨著水電建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，我國在復(fù)雜地形條件下的混凝土面板壩建設(shè)取得了長足的進(jìn)展，相繼建成了江坪河、猴子巖等狹窄河谷中的高混凝土面板堆石壩，同時，還有一批位于狹窄河谷中的混凝土面板堆石壩工程在建或待建。表1所列為部分已建和在建的狹窄河谷中的混凝土面板壩工程。

表1 中國已建和在建的狹窄河谷中混凝土面板堆石壩工程

不同河谷地形條件下混凝土面板壩的應(yīng)力變形特性主要通過數(shù)值分析或模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。楊杰等[2]等結(jié)合青海茨哈峽混凝土面板壩研究了復(fù)雜地形條件下超高混凝土面板堆石壩的應(yīng)力變形特性。徐澤平等[3]結(jié)合洪家渡混凝土面板堆石壩研究了狹窄河谷中高混凝土面板壩的應(yīng)力變形特性。程嵩等[4]結(jié)合馬來西亞巴貢混凝土面板壩研究了河谷性狀對面板堆石壩應(yīng)力位移的影響。朱晟等[5]，以及王國輝等[6-7]結(jié)合江坪河混凝土面板壩研究了河谷性狀對200 m級高混凝土面板壩變形和應(yīng)力的影響。朱永國等[8-9]結(jié)合猴子巖混凝土面板堆石壩工程研究了狹窄河谷中高混凝土面板壩的應(yīng)力變形特性及變形控制措施。楊星等[10]結(jié)合猴子巖混凝土面板壩工程，分析了狹窄河谷中高混凝土面板壩的變形特性。盧羽平等[11]分析了建于狹窄河谷中的卡基娃混凝土面板壩的運(yùn)行性狀。王君利[12]結(jié)合羊曲混凝土面板壩工程，分析了特窄河谷中高混凝土面板壩的變形和防滲控制措施。王恩輝[13]介紹了新疆地區(qū)狹窄河谷中堆石壩工程的建設(shè)案例和工程經(jīng)驗(yàn)。上述研究工作結(jié)合具體的工程實(shí)踐，分別從不同的角度分析了狹窄河谷中混凝土面板壩的變形特性，研究成果表明，對于狹窄河谷中的混凝土面板壩，岸坡對壩體具有顯著的約束作用，由于這種約束作用，狹窄河谷中的混凝土面板壩總體變形量相對較小，但岸坡變形梯度較大。壩體大主應(yīng)力明顯小于堆石體自重應(yīng)力，壩體應(yīng)力存在明顯的應(yīng)力拱效應(yīng)。宋文晶等[14]針對狹窄河谷中的面板壩，提出了考慮堆石體與壩肩岸坡之間摩擦接觸的分析模型，并研究了河谷性狀對面板壩防滲體系安全性的影響。研究指出狹窄河谷中面板壩的堆石體將沿岸坡發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致面板或止水的破壞。侯冰鈴等[15]對比了考慮堆石體與岸坡分別采取固定約束和摩擦接觸方式計(jì)算時，狹窄河谷中混凝土面板壩應(yīng)力變形特征，計(jì)算結(jié)果表明，考慮摩擦接觸后，堆石能夠沿著岸坡滑動，岸坡對壩體堆石的拱效應(yīng)減小。歐波等[16]采用數(shù)值分析方法對狹窄河谷中的平寨混凝土面板壩進(jìn)行了考慮堆石流變的計(jì)算分析。鄧剛等[17]等結(jié)合九甸峽混凝土面板壩，研究了狹窄河谷中高面板堆石壩的長期變形問題。研究成果表明，狹窄河谷高面板堆石壩考慮流變特性后，壩體后期變形明顯增大，變形持續(xù)時間也有所增加。上述的研究工作分別從不同的角度分析、研究了河谷地形對混凝土面板壩應(yīng)力變形特性的影響，但總體而言，這些研究都是針對狹窄河谷中某一具體工程的分析，其研究成果部分揭示了狹窄河谷岸坡對混凝土面板壩應(yīng)力變形的影響規(guī)律。但是，對于河谷地形與混凝土面板壩應(yīng)力變形作用的一般規(guī)律尚有待通過從寬河谷到窄河谷的變化，以及岸坡和河床寬度的變化進(jìn)行深入的研究。

采用理想化的典型模型研究混凝土面板壩的應(yīng)力變形特性可以消除具體工程特定因素對分析結(jié)果的影響，從而更有利于對一般規(guī)律的分析研究[18]。黨發(fā)寧等[19]以金川混凝土面板壩為依據(jù)，構(gòu)建了一個簡化的面板壩分析模型，通過河谷寬度系數(shù)、河谷邊坡陡緩系數(shù)、河谷非對稱系數(shù)研究了河谷形狀對面板壩應(yīng)力變形的影響。研究表明，河谷地形對壩體的約束作用減小了面板的撓度，而堆石體內(nèi)部存在的應(yīng)力拱效應(yīng)則增大了壩體的后期沉降量。楊超等[20]等通過一個典型的面板壩分析模型，重點(diǎn)研究了狹窄河谷面板堆石壩壩體底部應(yīng)力拱效應(yīng)的形成機(jī)理及影響范圍。為進(jìn)一步研究河谷地形對混凝土面板壩應(yīng)力變形特性的影響，本文將通過構(gòu)建一個典型混凝土面板壩三維模型的方式，采用數(shù)值計(jì)算方法，分析從寬河谷到窄河谷混凝土面板壩應(yīng)力變形特性的變化規(guī)律，并研究岸坡坡度、河谷寬度等因素對壩體和面板應(yīng)力變形的影響規(guī)律，同時，結(jié)合實(shí)際工程，探索改善狹窄河谷中高混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形狀態(tài)的工程措施，為大壩的設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)。

2 河谷形狀影響的分析模型

通常，對于混凝土面板堆石壩而言，較為有利的河谷形狀應(yīng)該是平整、對稱的河谷，岸坡坡度平緩，同時，兩側(cè)壩肩能夠?yàn)閴误w提供堅(jiān)固的支撐作用。反之，壩肩陡峭、河谷不對稱、岸坡基巖表面不規(guī)則、河床深切等地形將對壩體和面板的應(yīng)力變形產(chǎn)生不利的影響。

2.1 河谷形狀參數(shù)目前，對于如何采用一個單一的參數(shù)對河谷性狀進(jìn)行定義尚未有統(tǒng)一的規(guī)定。實(shí)際工程中，常規(guī)的做法是將大壩的建基面統(tǒng)一到同一高程，以壩軸線位置的縱斷面進(jìn)行比較。在混凝土面板堆石壩工程中，主要采用兩種方式表示河谷形狀：一種是以大壩的長高比(壩頂長/最大壩高)；另一種是以河谷形狀系數(shù)(A/H2，其中，A為面板面積，H為壩高)。

2.2 典型分析模型為了系統(tǒng)地研究地形條件對面板堆石壩應(yīng)力變形的影響，本文建立了一個理想化的混凝土面板堆石壩三維有限元模型，通過改變河谷寬度、岸坡坡比等地形條件，采用數(shù)值計(jì)算方法分析地形參數(shù)的變化對壩體和面板應(yīng)力、變形的影響。

計(jì)算分析模型的基本特征參數(shù)為：

?壩高：120 m；上游蓄水位：110 m。

?壩體分區(qū)：面板、墊層區(qū)(2 m等寬)、過渡區(qū)(3 m等寬)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)。

?面板寬度：上下等寬12 m；面板厚度：上下等厚50 cm。

?岸坡：均一坡度；建基面：水平(高程：0.0 m)。

計(jì)算模型的最大橫斷面如圖1所示，圖2為該計(jì)算模型的三維網(wǎng)格圖。計(jì)算中按12 m的層厚模擬壩體的分級填筑過程，混凝土面板按一層進(jìn)行單元劃分。

圖1 計(jì)算模型的最大橫斷面

圖2 計(jì)算模型的三維網(wǎng)格圖

計(jì)算分析中，筑壩堆石料采用鄧肯E-B非線性彈性模型[21]，混凝土面板采用線彈性模型，堆石料的材料模型參數(shù)如表2所示，混凝土彈模取為2.2×104MPa，泊松比為0.2?；炷撩姘迮c堆石材料的接觸采用薄層單元模擬，混凝土面板之間的縱縫采用無厚度接觸面單元模擬，面板與趾板間的周邊縫采用軟單元模擬[22-24]。

表2 材料的鄧肯E-B模型參數(shù)

2.3 計(jì)算方案為比較河谷寬度、岸坡坡度等地形條件對壩體和面板應(yīng)力、變形特性的影響，計(jì)算方案分為兩組：其中，第一組為固定河床寬度，通過改變岸坡坡度以分析岸坡坡度的影響。第二組為固定岸坡坡度，通過改變河床寬度以比較河床寬度的影響。兩組計(jì)算可以綜合反映河谷形狀對大壩應(yīng)力變形的作用。

(1)考慮岸坡坡度影響的計(jì)算方案(如圖3所示)

圖3 不同岸坡坡度的計(jì)算方案

方案1-1：河床寬度48.0 m，岸坡坡度1∶0.5(大壩長高比為1.4)。

方案1-2：河床寬度48.0 m，岸坡坡度1∶1.0(大壩長高比為2.4)。

方案1-3：河床寬度48.0 m，岸坡坡度1∶1.5(大壩長高比為3.4)。

方案1-4：河床寬度48.0 m，岸坡坡度1∶2.0(大壩長高比為4.4)。

方案1-5：河床寬度48.0 m，岸坡坡度1∶3.0(大壩長高比為6.4)。

(2)考慮河床寬度影響的計(jì)算方案(如圖4所示)

圖4 不同河谷寬度的計(jì)算方案

方案2-1：岸坡坡度1∶1.0，河床寬度48.0 m(大壩長高比為2.4)。

方案2-2：岸坡坡度1∶1.0，河床寬度96.0 m(大壩長高比為2.8)。

方案2-3：岸坡坡度1∶1.0，河床寬度192.0 m(大壩長高比為3.6)。

方案2-4：岸坡坡度1∶1.0，河床寬度288.0 m(大壩長高比為4.4)。

方案2-5：岸坡坡度1∶1.0，河床寬度384.0 m(大壩長高比為5.2)。

3 河谷地形因素的計(jì)算分析

3.1 考慮岸坡坡度影響的計(jì)算結(jié)果不同岸坡坡度情況下，蓄水期壩體橫斷面的沉降如圖5所示。為節(jié)省篇幅，以下的壩體位移分布和面板應(yīng)力分布均僅給出了岸坡坡度最陡和最緩的兩種極端情況。

圖5 蓄水期壩體橫斷面沉降分布(不同岸坡坡度)(單位：m)

在不同岸坡坡度情況下，壩體最大橫斷面的沉降分布呈現(xiàn)出基本相同的分布規(guī)律，壩體最大沉降位于橫斷面壩軸線位置的壩體中上部，沉降分布對稱于壩軸線。但從沉降量的數(shù)值看，陡峭岸坡情況下壩體的沉降量較小，而平緩岸坡情況下壩體的沉降量較大。

從圖6壩軸線處縱斷面的沉降分布看，壩體沿壩軸線處縱斷面的沉降分布對稱于河谷中心線，最大沉降位于壩體中上部。當(dāng)河谷岸坡坡度較陡時，近岸坡處壩體的沉降在岸坡的約束作用下呈波動的分布，從岸坡至河谷中心，沉降變化的梯度較大。當(dāng)岸坡坡度逐漸趨緩時，岸坡處的壩體沉降分布漸趨平順。從數(shù)值上看，壩體沉降隨河谷岸坡坡度由陡變緩而逐漸增大。各計(jì)算方案壩體近岸坡處的沉降沿壩軸線方向的變化梯度隨岸坡坡度的變緩而逐漸減小。

圖6 蓄水期壩體縱斷面沉降分布(不同岸坡坡度)(單位：m)

從壩軸線處縱斷面的水平位移分布(圖7)看，縱斷面上的水平位移呈對稱于河谷中心線的形式分布，兩岸坡壩體的水平位移均指向河谷中央(左岸壩體水平位移指向右岸，右岸壩體水平位移指向左岸)，水平位移的最大值靠近岸坡處。但是，值得注意的是，當(dāng)岸坡坡度陡峭時，河床段底部壩體的水平位移方向呈與上部壩體相反的分布趨勢(左岸壩體水平位移指向左岸，右岸壩體水平位移指向右岸)。這一特殊的位移現(xiàn)象在以往的研究中尚未涉及。從圖7(a)的壩體水平位移分布趨勢分析，造成這一現(xiàn)象的原因，主要是壩軸線兩側(cè)的堆石由于受陡峭岸坡地形的影響形成了向河谷底部集中的位移趨勢，而由于河谷較窄，加之底部岸坡的約束，因此，在較窄的河谷底部堆石體承受了來自對面一側(cè)岸坡堆石體的強(qiáng)烈擠壓作用，故而產(chǎn)生了與對其相對的岸坡堆石體擠壓方向相同的位移。隨著岸坡坡度的變緩，岸坡堆石體趨向河谷底部的位移趨勢減弱，這一現(xiàn)象也隨之消失。

圖7 蓄水期壩體縱斷面沿壩軸線方向水平位移分布(不同岸坡坡度)(單位：m)

蓄水期面板沿上游壩坡方向和沿壩軸線方向的應(yīng)力分布是評價面板應(yīng)力狀況的重要指標(biāo)。由圖8—9可以看出，蓄水期河床段面板的中上部處于雙向受壓狀態(tài)(順坡向、壩軸向)，局部區(qū)域受拉。在順壩坡方向，面板底部和兩岸坡部位承受拉應(yīng)力，其余部位受壓，在沿壩軸線方向，岸坡處面板承受拉應(yīng)力，其余大部分區(qū)域受壓。

圖8 蓄水期面板順坡向應(yīng)力分布(不同岸坡坡度)(單位：MPa)

圖9 蓄水期面板沿壩軸線方向應(yīng)力分布(不同岸坡坡度)(單位：MPa)

在不同岸坡坡度情況下，面板底部沿壩坡方向均承受拉應(yīng)力，當(dāng)岸坡坡度較陡時，岸坡處面板的拉應(yīng)力區(qū)范圍相對較小，隨岸坡坡度變緩，面板底部和兩岸壩肩處面板順坡向拉應(yīng)力區(qū)范圍擴(kuò)大。但從數(shù)值上看，當(dāng)岸坡坡度較陡時，面板所承受的壓應(yīng)力數(shù)值較大，隨岸坡坡度變緩，面板的壓應(yīng)力數(shù)值減小。

不同岸坡坡度情況下，面板在兩岸壩肩處沿壩軸線方向均承受拉應(yīng)力。當(dāng)岸坡坡度較陡時，拉應(yīng)力區(qū)主要集中在壩肩上部，當(dāng)岸坡坡度逐漸變緩，拉應(yīng)力區(qū)范圍沿岸坡向面板底部和河谷中心方向擴(kuò)展。從應(yīng)力數(shù)值上看，陡岸坡時，面板所承受的壓應(yīng)力數(shù)值較大，隨岸坡坡度變緩，面板的壓應(yīng)力數(shù)值減小。

3.2 考慮河谷寬度影響的計(jì)算結(jié)果不同河谷寬度情況下，蓄水期壩體橫斷面的沉降如圖10所示。為節(jié)省篇幅，以下的壩體位移分布和面板應(yīng)力分布均僅給出了河谷寬度最窄和最寬的兩種極端情況。

圖10 蓄水期壩體橫斷面沉降分布(不同河谷寬度)(單位：m)

從壩體最大橫斷面的沉降分布規(guī)律看，第二組計(jì)算(考慮河谷寬度變化)與第一組計(jì)算(考慮岸坡坡度變化)的壩體沉降分布規(guī)律無顯著變化。不同河谷寬度情況下壩體的沉降分布規(guī)律也基本相似。但是，隨著河谷寬度的增加，壩體位移的數(shù)值也隨之增大。對比第二組計(jì)算與第一組計(jì)算的結(jié)果，也可以看出，當(dāng)河谷寬度增大時，第二組計(jì)算的壩體沉降數(shù)值要大于第一組計(jì)算的數(shù)值。

從沿壩軸向位置的縱斷面壩體沉降分布(圖11)看，隨著河谷寬度的增加，岸坡地形對于河床段壩體沉降的影響逐漸減小，當(dāng)河谷寬度較寬時，河床段壩體沉降呈現(xiàn)出完全一致的分布，其數(shù)值也基本相同，岸坡段壩體變形的影響僅局限于近岸坡處的堆石體。

圖11 蓄水期壩體縱斷面沉降分布(不同河谷寬度)(單位：m)

壩體縱斷面沿壩軸線方向水平位移分布(圖12)呈從兩岸指向河谷中心的分布規(guī)律，這一變形的趨勢主要由岸坡地形的影響所致。隨著河谷寬度的增加，岸坡地形對于河床段壩體變形的影響逐漸減弱。當(dāng)河谷寬度較大時，壩體水平位移主要集中于岸坡段，河床中心附近壩體的水平位移基本上接近于零。

圖12 蓄水期壩體縱斷面沿壩軸線方向水平位移分布(不同河谷寬度)(單位：m)

蓄水期面板順坡向的應(yīng)力分布(圖13)趨勢為：在面板底部和沿岸坡位置處，面板主要承受拉應(yīng)力，而在面板的其余位置，則主要承受壓應(yīng)力。當(dāng)河谷寬度增大，面板底部拉應(yīng)力區(qū)范圍向上擴(kuò)展，河谷中心部位面板的壓應(yīng)力數(shù)值相對于岸坡處有所減小，面板壓應(yīng)力最大值的區(qū)域趨向于岸坡。從應(yīng)力數(shù)值上看，河谷寬度較窄時，面板的壓應(yīng)力相對較大，當(dāng)河谷寬度增大時，面板壓應(yīng)力數(shù)值減小。

圖13 蓄水期面板順坡向應(yīng)力分布(不同河床寬度)(單位：MPa)

蓄水期面板沿壩軸線方向的應(yīng)力分布(圖14)趨勢為：在兩岸壩肩處，面板主要承受拉應(yīng)力，而在面板的其余位置，則主要承受壓應(yīng)力。對比各種河谷寬度情況下的計(jì)算結(jié)果，可以看出，隨著河谷寬度的增大，兩岸壩肩處面板拉應(yīng)力區(qū)的范圍沒有明顯的變化，但面板壓應(yīng)力最大值的區(qū)域逐漸趨向岸坡處。從應(yīng)力數(shù)值上看，河谷寬度較窄時，面板應(yīng)力相對較大，當(dāng)河谷寬度增大時，面板應(yīng)力數(shù)值減小。

圖14 蓄水期面板沿壩軸線方向應(yīng)力分布(不同河床寬度)(單位：MPa)

3.3 岸坡坡度及河谷寬度影響的計(jì)算結(jié)果對比為分析不同地形條件下河谷形狀對混凝土面板壩應(yīng)力變形特性的影響規(guī)律，對于不同岸坡坡度和不同河谷寬度采用大壩長高比作為河谷的形狀參數(shù)，給出了各種不同工況下壩體位移和面板應(yīng)力的變化趨勢。

從圖15和圖16可以看出，隨著岸坡坡度逐漸趨緩、或河谷寬度逐漸增加，岸坡對壩體的約束作用漸趨減弱，壩體位移增大。大壩長高比相對較小時，這種位移增大的趨勢相對較為明顯，如圖15所示，當(dāng)長高比從1.4變化至2.4時，最大沉降的增量為5 cm。而大壩長高比增至一定程度，其變化趨勢逐漸平緩，當(dāng)長高比從4.4增至6.4時，最大沉降僅增加了0.6 cm。顯示出岸坡地形對壩體變形影響的弱化。對比岸坡坡度變化與河谷寬度變化的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在同樣長高比的情況下，寬河谷情況下的壩體位移數(shù)值大于緩岸坡情況下的壩體位移數(shù)值。

圖15 不同岸坡坡度情況下壩體的最大沉降

圖16 不同河谷寬度情況下壩體的最大沉降

蓄水期面板在不同岸坡坡度和不同河谷寬度情況下的最大法向位移(撓度)變化分別如圖17和圖18所示。從圖中可以看出，面板的法向位移隨著大壩長高比的增加而增大，而且，當(dāng)長高比增至一定程度后(大致為3.5～4.0)，面板撓度的變化也是逐漸減緩，直至基本不變。

圖17 不同岸坡坡度情況下面板的法向位移

圖18 不同河谷寬度情況下面板的法向位移

蓄水期面板在不同岸坡坡度和不同河谷寬度情況下的應(yīng)力變化如圖19—22所示。

圖19 不同岸坡坡度情況下面板順坡向應(yīng)力

圖20 不同岸坡坡度情況下面板壩軸向應(yīng)力

圖21 不同河谷寬度情況下面板順坡向應(yīng)力

圖22 不同河谷寬度情況下面板壩軸向應(yīng)力

從面板的應(yīng)力變化趨勢看，面板的應(yīng)力基本上隨壩體長高比的增大而減小。對于河谷寬度固定、岸坡坡度變化的情況，面板順坡向的應(yīng)力的變化在長高比大于4時基本趨于穩(wěn)定，而面板沿壩軸向的應(yīng)力變化則基本上一直隨長高比的變化而變。對于岸坡坡度固定、河谷寬度變化的情況，面板沿壩坡向應(yīng)力和沿壩軸向的應(yīng)力均在長高比大于3.5時趨于穩(wěn)定，這一規(guī)律與面板撓度的變化趨勢基本一致。從應(yīng)力的數(shù)值看，當(dāng)河谷寬度不寬，岸坡坡度較陡時，面板的應(yīng)力數(shù)值相對較大。

4 河谷地形因素的影響性分析

根據(jù)典型面板壩三維模型數(shù)值計(jì)算分析的結(jié)果，可以看出河谷的寬窄和岸坡的坡度對于混凝土面板壩的應(yīng)力變形特性有著一定程度的影響。這種影響主要表現(xiàn)在岸坡對于堆石變形的約束作用和因岸坡基巖對壩體頂托所產(chǎn)生的拱作用。岸坡對于堆石體的約束作用，使得狹窄河谷中面板壩的總體位移量值相較于寬河谷中的面板壩位移較小。而基巖對壩體的拱作用將導(dǎo)致堆石體豎向應(yīng)力的減小。

綜合計(jì)算分析結(jié)果看，河谷岸坡對壩體位移的約束作用隨面板壩長高比的增加而減弱，當(dāng)大壩長高比大于4.0時，岸坡對壩體位移的約束作用基本可以忽略。

岸坡坡度的變化對岸坡局部壩體的位移分布有較大的影響，陡岸坡情況下岸坡處壩體的變形梯度明顯大于平緩岸坡情況下壩體的變形梯度。在同樣岸坡坡度情況下，河床寬度較窄時，岸坡位移梯度變化較大的部位靠近壩體底部，對河床部位的壩體位移存在一定的影響。當(dāng)河床寬度較寬時，岸坡位移梯度變化較大處位于壩坡中上部，岸坡部位的位移對河床段壩體的位移影響不大。

陡峭的岸坡會引起近岸坡部位堆石體沿岸坡方向形成滑動位移的趨勢。當(dāng)河床相對寬闊時，這種位移趨勢僅局限于岸坡部位的堆石體，對壩體的整體變形影響不大。但當(dāng)河床寬度較小時，陡峭的岸坡和較窄的河床寬度所形成的狹窄河谷將導(dǎo)致堆石體產(chǎn)生較為顯著的趨向河谷中心的位移。這種位移趨勢將因堆石體的拖曳作用，使得面板順坡向應(yīng)力增大。同樣，由于狹窄河谷中壩體堆石自岸坡向河谷中心的位移趨勢相對較大(趨向河谷中心、壩體底部)，由此也會導(dǎo)致面板沿壩軸向應(yīng)力的增大。

位于狹窄河谷中的面板堆石壩，岸坡段堆石體與河床段堆石體會出現(xiàn)較大的不均勻位移。由于變形梯度較大，岸坡部位堆石體和面板將承受較大的剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力過大時，會造成近岸坡部位混凝土面板出現(xiàn)平行于岸坡的斜向裂縫。

對于狹窄河谷中的面板壩，河谷底部的堆石是各種不利變形的主要匯集之處和承接體，這一部分堆石體的變形模量，對于狹窄河谷中面板壩的變形，以及混凝土面板的應(yīng)力狀態(tài)都會產(chǎn)生直接的影響。

5 改善狹窄河谷面板壩應(yīng)力變形特性的工程措施

根據(jù)上述河谷地形因素對混凝土面板壩應(yīng)力變形特性的影響分析，對于長高比大于4.0的寬河谷中的混凝土面板壩，河谷岸坡的作用不顯著，大壩的變形控制按通常的做法即可。對于狹窄河谷中的面板壩(長高比小于4.0或3.5)，則需要根據(jù)其受力和變形特點(diǎn)，采取針對性的壩體變形控制措施和面板應(yīng)力改善措施[25-27]。

混凝土面板堆石壩因其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，保障大壩結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵在于壩體堆石的變形控制，而堆石體的變形則主要取決于堆石的壓實(shí)密度或變形模量。因此，改善狹窄河谷中混凝土面板壩應(yīng)力變形狀態(tài)的主要措施應(yīng)該是通過合理選擇母巖強(qiáng)度適中的中硬巖筑壩堆石料、提高堆石體的壓實(shí)密度和壓縮模量，以減小壩體堆石的位移量值，同時，還可以在岸坡附近設(shè)置高模量的堆石增模區(qū)，以降低自岸坡至河谷的堆石變形梯度。為改善面板的應(yīng)力狀態(tài)，避免面板裂縫和擠壓破壞，應(yīng)按照預(yù)沉降時間和上游壩坡沉降量值控制的原則確定混凝土面板的澆筑時間，岸坡段的面板施工工序可適當(dāng)排后。同時，還可在河床段面板縱縫設(shè)置具有一定抗壓強(qiáng)度的柔性填充材料，以吸收面板沿壩軸線方向變形而產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力。

如前所述，狹窄河谷中的面板壩，河谷底部是變形集中之處。因此，對于狹窄河谷中的高混凝土面板堆石壩，在河谷一定高度范圍內(nèi)，采用級配良好的堆石料，經(jīng)充分壓實(shí)，形成一個高壓縮模量區(qū)。這一高模量區(qū)將限制岸坡堆石體斜向位移的發(fā)展，從而有效改善壩體和面板的應(yīng)力變形性態(tài)。

6 工程實(shí)例

為進(jìn)一步驗(yàn)證前一節(jié)中提出的改善狹窄河谷中高混凝土面板壩應(yīng)力變形性狀的工程措施，以黃河上游瑪爾擋水電站大壩為例進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算分析?，敔枔跛娬疚挥谇嗪Ｊ‖斍呖h拉加鄉(xiāng)上游約5 km的黃河干流上，是一個以發(fā)電為主的大型水電樞紐工程，工程規(guī)模為一等大(1)型。水庫正常蓄水位3275 m，相應(yīng)庫容14.82億m3。電站裝機(jī)容量2200 MW，多年平均發(fā)電量72.39億kW·h。樞紐大壩為混凝土面板堆石壩，壩高211 m，大壩長高比為1∶1.5，為典型的狹窄河谷區(qū)(圖23)高混凝土面板壩。大壩主要的筑壩料為二長巖和砂巖堆石料、及樞紐建筑物開挖料，巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為70～130 MPa。

圖23 瑪爾擋面板壩的壩址河谷

根據(jù)前述分析，狹窄河谷的河谷束窄效應(yīng)會使得壩體變形量相對較小，岸坡處變形梯度相對較大。另外，河谷的不對稱性，會導(dǎo)致緩坡壩肩變形量相對較大，陡坡壩肩變形量相對較小，造成壩體變形不均勻。為減小壩體變形量以及變形的不均勻性，計(jì)算分析中研究采用提高堆石體壓實(shí)度的措施降低河谷束窄效應(yīng)的影響。同時，為降低岸坡堆石區(qū)的變形梯度，還對比了設(shè)置岸坡增模堆石區(qū)的影響(圖24為增模區(qū)的設(shè)置范圍)。

圖24 岸坡增模區(qū)的范圍(單位：m)

各計(jì)算方案中，墊層料和過渡料的孔隙率(n)標(biāo)準(zhǔn)分別為17%、18%，堆石區(qū)的孔隙率則由21%逐步降低至19%。表3所示為各計(jì)算方案的應(yīng)力變形特征(最大)值。

表3 堆石不同孔隙率條件下大壩應(yīng)力變形特征值匯總

從表3計(jì)算成果看，通過改善堆石體的壓實(shí)，降低堆石孔隙率，提高堆石體模量，可明顯減小壩體、面板、接縫變形，有效改善防滲體系的應(yīng)力變形狀態(tài)。

從表4計(jì)算成果看，設(shè)置岸坡增模區(qū)對于岸坡處的壩體變形梯度和周邊縫剪切變形減小明顯，遞減率分別為18%和10%左右。由此可見，岸坡增模區(qū)的設(shè)置可有效降低岸坡堆石體的變形梯度，改善周邊縫的變形性態(tài)。

表4 設(shè)置岸坡墊層區(qū)與不設(shè)置典型高程岸坡最大沉降變形梯度

7 結(jié)論

通過針對不同地形條件下典型混凝土面板壩模型的應(yīng)力變形分析，可以看出，盡管混凝土面板堆石壩對地形條件有著較好的適應(yīng)性，但河谷的坡度和寬窄對于壩體和面板的變形仍有一定的影響，這種影響主要表現(xiàn)在岸坡對壩體和面板的頂托和約束作用上?？傮w而言，在壩體材料確定不變的情況下，狹窄河谷中壩體和面板的位移數(shù)值明顯小于寬闊河谷中的情況，而面板的應(yīng)力則是在狹窄河谷的情況下較大。

從壩體和面板位移的變化趨勢看，位移隨大壩長高比的增加而增大，當(dāng)長高比增大至一定程度(3.5～4.0)后，壩體位移變化的趨勢逐漸趨于平穩(wěn)，岸坡對壩體位移的作用減弱。

狹窄河谷情況下，面板順壩坡方向和沿壩軸線方向的壓應(yīng)力相對較大，但拉應(yīng)力區(qū)分布范圍相對較小，近岸坡局部部位面板的應(yīng)力變化明顯。在寬闊河谷情況下，面板的壓應(yīng)力相對較小，但拉應(yīng)力區(qū)范圍相對較大，岸坡對河床段面板應(yīng)力的影響作用較弱。建于狹窄河谷中的混凝土面板壩需要更加嚴(yán)格地控制堆石體的變形。改善狹窄河谷中混凝土面板壩應(yīng)力變形性狀的主要工程措施包括：提高堆石體的壓實(shí)密度、增加堆石體的壓縮模量、在近岸坡區(qū)域設(shè)置增模過渡區(qū)、合理安排面板澆筑前的堆石預(yù)沉降時間、在河床段面板縱縫設(shè)置可吸收面板位移柔性填充材料等。