李 博，田金偉

( 五常市龍鳳山灌區(qū)管理局，黑龍江 五常150200)

1 工程概況

某水電站地處河干流上游河段，壩址下距縣城13 km。該工程是以發(fā)電為主，兼顧提高下游水電站大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的作用。電站建成后還具有增加可調(diào)水量，提高供水保證率，改善庫(kù)區(qū)通航條件等綜合利用效益。

該水電站正常蓄水位355.00 m，水庫(kù)總庫(kù)容23.38 億m3，具有年調(diào)節(jié)性能。大壩最大壩高114.0 m，電站裝機(jī)2 臺(tái)，總裝機(jī)容量500 MW。本工程屬一等大( 1) 型工程，主要建筑物大壩為1 級(jí)建筑物，正常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期為1000 a，非常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期為1 萬(wàn)a。

工程樞紐主要由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪洞和左岸引水隧洞、地面廠房以及開關(guān)站等建筑物組成。

溢洪道采用岸邊開敞式，緊靠面板壩右壩肩布置，其閘室軸線與面板壩軸線夾角69.0168°。溢洪道由進(jìn)水渠、閘室、泄槽及挑流鼻坎等組成。進(jìn)水渠底板高程330.00 m，底寬69.00 m。溢洪道閘室共設(shè) 3 孔，孔口尺寸為20.0 m×18.0 m( 寬×高) ，溢流堰采用WES 型低實(shí)用堰，堰頂高程337.0 m?？卓谠O(shè)弧形工作閘門和平板檢修閘門，下接矩形泄槽與挑流鼻坎。

泄洪洞布置在溢洪道的右側(cè)，由岸塔式進(jìn)水口、無(wú)壓隧洞及出口挑坎組成。進(jìn)水口底板高程300.00 m。閘門控制段上游為壓力隧洞段，后接無(wú)壓隧洞，斷面型式為城門洞形，出口接挑流鼻坎。

引水發(fā)電系統(tǒng)采用單機(jī)單洞引水方式，裝兩臺(tái)單機(jī)容量為250 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。安裝場(chǎng)布置在主機(jī)間左端。開關(guān)站緊鄰面板壩下游右岸坡腳布置。

2 研究?jī)?nèi)容和目的

混凝土面板堆石壩具有壩體斷面小、安全性好、施工方便、工期短、導(dǎo)流簡(jiǎn)化、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，受到了壩工建設(shè)者的重視。特別是20 世紀(jì)60年代大型振動(dòng)碾的應(yīng)用，以薄層碾壓堆石代替拋填堆石等一系列新的技術(shù)的發(fā)展，使得面板堆石壩成為許多建設(shè)者的首選，并向高壩方向發(fā)展。

混凝土面板堆石壩的變形與其他類型的大壩相比較大。在已建的一些高壩中出現(xiàn)了堆石體變形較大，混凝土面板裂縫偏多，局部擠壓破損，周邊縫位移偏高等現(xiàn)象。這些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)壩工的設(shè)計(jì)、施工、科研等提出了更高的要求。如何正確預(yù)測(cè)壩體在各種工況條件下的變形趨勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化壩體的設(shè)計(jì)，改進(jìn)施工方法，已經(jīng)成為面板堆石壩發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題。

在土石壩變形和穩(wěn)定的計(jì)算中，作為前提條件的物理、力學(xué)參數(shù)選取準(zhǔn)確與否，對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果有著十分重要的影響。但在具體的工程實(shí)際中，一方面由于所要分析的壩料性態(tài)十分復(fù)雜，并帶有其固有的不確定性; 另一方面也由于壩料參數(shù)的確定還受到材料的物理性質(zhì)、荷載大小、加載方式及應(yīng)力歷史等各種因素的綜合影響，所以，其參數(shù)的重要性及其難以確定性成為一對(duì)共存的矛盾體，成為工程計(jì)算分析中亟待解決的一個(gè)問題。因此有必要對(duì)大壩不同工況不同土體參數(shù)組進(jìn)行一定的敏感性分析。并通過不同計(jì)算模型的分析對(duì)比探討更加符合實(shí)際的大壩工作性態(tài)，從而對(duì)大壩施工期以及竣工期的運(yùn)行起到一定的參考作用。

該水電站混凝土面板堆石壩最大壩高114.0 m，大壩基礎(chǔ)利用砂礫石覆蓋層厚5 ～16 m，壩體采用塊狀綠泥納長(zhǎng)片巖、硅質(zhì)巖等石料及建筑物基礎(chǔ)開挖料分區(qū)填筑，地震設(shè)防烈度為8°。本次研究的主要目的是在以往研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)面板堆石壩試驗(yàn)資料，在充分利用建筑物基礎(chǔ)開挖料和壩址附近料源的情況下，采用現(xiàn)場(chǎng)爆破碾壓試驗(yàn)所獲得的填筑料物理力學(xué)參數(shù)成果，通過三維有限元擬靜力法和動(dòng)力分析計(jì)算，分析大壩各工況的壩坡穩(wěn)定性，分析壩體應(yīng)力與變形，在滿足工程安全的前提下盡量節(jié)省工程投資。

靜力分析采用有限單元法模擬壩料分區(qū)和施工次序，計(jì)算壩體和面板不同工作狀態(tài)下的應(yīng)力及變形。動(dòng)力分析在靜力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，計(jì)算壩體結(jié)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線及壩體永久殘余變形。

3 本構(gòu)模型的對(duì)比

3.1 清華K－G 模型

清華大學(xué)水利水電工程系高蓮士教授等提出并建立了清華K－G 模型，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)了三維非線性有限元程序3ERD，已應(yīng)用于實(shí)際工程的數(shù)值分析和計(jì)算。該模型有以下主要的特點(diǎn):

1) 該模型從試驗(yàn)規(guī)律出發(fā)，首先給出了比例加載時(shí)應(yīng)力全量與應(yīng)變?nèi)康木唧w函數(shù)表達(dá)式，再取微分，得出用于一般加載應(yīng)力路徑下的應(yīng)變?cè)隽颗c應(yīng)力增量之間的關(guān)系。

2) 在應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系中，引入了應(yīng)力比η 的函數(shù)項(xiàng)，以反映p 與q 之間的耦合作用。相應(yīng)的采用了可以分項(xiàng)判別的加載準(zhǔn)則，從而可以適應(yīng)壩體中應(yīng)力路徑的變化。

3) 在應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系中引入強(qiáng)度發(fā)揮度因子，以反映強(qiáng)度發(fā)揮度和強(qiáng)度非線性對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響。

4) 考慮了堆石料的壓縮和剪脹，能夠反映土的剪脹性。

5) 模型表達(dá)式概念明確，每個(gè)參數(shù)都反映了某種材料的力學(xué)特性，并且全部參數(shù)都可以根據(jù)常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果求得，方法簡(jiǎn)單。

3.2 鄧肯－張E－B 模型

1) 鄧肯－張E－B 模型利用常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，用雙曲線直接擬合模型參數(shù)，模型表達(dá)式和參數(shù)的擬合方法均比較簡(jiǎn)單、直觀，參數(shù)的物理概念明確，故在巖土工程的數(shù)值分析中得到較為廣泛的應(yīng)用。

2) 模型中的切線模量Et和體變模量Bt均是隨應(yīng)力狀態(tài)變化的參數(shù)，因此能在相當(dāng)程度上反應(yīng)土的非線性和壓硬性。

3) 根據(jù)常規(guī)三軸試驗(yàn)建立的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及擬合的參數(shù)Et、Bt，僅假定為應(yīng)力的狀態(tài)函數(shù)而與應(yīng)力路徑無(wú)關(guān)，因此無(wú)法反映不同應(yīng)力路徑的影響。

4) 鄧肯－張E－B 模型無(wú)法反映土的剪脹性。

5) 鄧肯－張E－B 模型盡管是在E－ ν 模型的基礎(chǔ)上修正而來(lái)，但在工程問題的應(yīng)用中，由于自身理論基礎(chǔ)的限制，存在著許多固有的缺陷和問題。

4 清華K－G 模型與鄧肯－張E－B 計(jì)算成果比較

4.1 清華K－G 模型

4.1.1 變形

壩體竣工后，竣工后壩體向上游的最大水平位移為0.08 m，向下游的最大水平位移為0.13 m，水平方向位移的非對(duì)稱性和上下游填筑材料性質(zhì)差別有關(guān)。豎直方向沉降最大值為0.4 m，出現(xiàn)在高程300.00 m附近。

4.1.2 應(yīng)力

壩體竣工后，大主應(yīng)力最大值為2.10 MPa，小主應(yīng)力最大值為0.80 MPa。

4.2 鄧肯－張E－B 模型

4.2.1 變形

壩體竣工后，結(jié)果顯示，竣工后壩體向上游的最大水平位移為0.14 m，向下游的最大水平位移為0.13 m，下游水平位移最大值等值線分布較散與網(wǎng)格形狀有關(guān)。豎直方向沉降最大值為0.45 m，出現(xiàn)在高程300.00 m附近。

4.2.2 應(yīng)力

壩體竣工后，大主應(yīng)力最大值為2.00 MPa，小主應(yīng)力最大值為0.80 MPa。

表1 鄧肯－張E－B 模型與清華K－G 模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

分別通過清華K－G 模型與鄧肯－張E－B 模型，對(duì)該水電站面板堆石壩最大橫剖面進(jìn)行了平面應(yīng)力變形分析，兩種模型的計(jì)算結(jié)果上表所示。

5 結(jié) 論

沉降上清華K－G 模型比鄧肯－張E－B 模型略小，沉降最大值約為壩高的0.4%，沉降量較小，位置大約在高程300m 處。從水平位移來(lái)看，堆石體向下游的位移清華K－G模型與鄧肯－張E－B 模型相比數(shù)值上一致，而堆石體向下游的位移清華K－G 模型與鄧肯－張E－B 模型相比略小，分布一致，最大水平位移為最大沉降的20% ～35%，在容許范圍內(nèi)。大小主應(yīng)力分布規(guī)律良好，小主應(yīng)力兩者均為0.80 MPa，大主應(yīng)力最大值兩者略有差別，但數(shù)值是合理的。從表中可看出，清華K－G 模型與鄧肯－張E－B 模型計(jì)算結(jié)果相差不大，兩者均可以作為堆石料材料的本構(gòu)模型。在本文的研究中主要是為了對(duì)比各工況下的應(yīng)力變形，所以我們只選擇其中一種作為計(jì)算模型。從計(jì)算結(jié)果看，鄧肯－張E－B 模型計(jì)算出的變形比清華K－G 稍大一些，所以我們選用偏安全的鄧肯－張E－B 模型作為我們的計(jì)算模型。

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