陳 飄鄧成發(fā)劉正國

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心 浙江杭州 310012；2.浙江廣川工程咨詢有限公司 浙江杭州 310012；3.浙江省水利河口研究院 浙江杭州 310012)

中厚覆蓋層上中低面板堆石壩變形特性有限元分析

陳 飄1鄧成發(fā)2劉正國3

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心 浙江杭州 310012；2.浙江廣川工程咨詢有限公司 浙江杭州 310012；3.浙江省水利河口研究院 浙江杭州 310012)

針對應用更為廣泛的中厚覆蓋層上中低面板堆石壩變形特性進行了有限元分析，研究了面板堆石壩竣工期及蓄水期的堆石體及面板的變形特性，計算結(jié)果表明：相比于竣工期，蓄水期壩體最大豎向位移，向下游的水平位移，大壩大、小主應力及應力水平均有所增加，其中以大壩水平位移增加最為明顯，約增加1倍左右，豎向位移增加幅度約為8%，大、小主應力增加10%～20%，應力水平增加約50%。

有限元 面板堆石壩 覆蓋層 撓度

引言

面板堆石壩由于其安全性、經(jīng)濟性及適應性良好等特點，深受壩工界的青睞，經(jīng)常成為首先的比選壩型。據(jù)不完全統(tǒng)計，到2011年底中國已建成、在建和擬建的混凝土面板堆石壩已達305 座，其中壩高100 m 及以上的高混凝土面板堆石壩有94 座，高壩中已建成48 座，在建20 座，擬建26 座。這些面板壩的建設(shè)為國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了積極的推動作用，帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，同時也積累了豐富的設(shè)計、施工和運行的實踐經(jīng)驗，受到國際同行們的重視和關(guān)注。

在諸多已建或在建的面板堆石壩中有相當一部分是在覆蓋層上直接建造。甘肅的九甸峽混凝土面板堆石壩是目前已經(jīng)建成的最高的深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩， 壩高136m，覆蓋層最大厚度56m，一些建基于深厚覆蓋層上的200m 級高壩也正在建設(shè)或設(shè)計中。對于在深厚覆蓋層上建壩，國內(nèi)廣大科研院所進行了較為深入的研究。郭興文對覆蓋層地基上的面板堆石壩的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計研究。沈婷對混凝土趾板和基礎(chǔ)的連接方式進行了深入研究。徐澤平對深厚覆蓋層上的面板堆石壩進行了離心模型試驗研究。趙一新、王文嬌對深厚覆蓋層上的面板堆石壩進行了動力特性有限元分析。

本文就應用更為廣泛的中厚覆蓋層上中低面板堆石壩變形特性進行了有限元分析，研究了面板堆石壩竣工期及蓄水期的堆石體及面板的變形特性，為同類工程提供參考。

1 工程概況15

雙溪口水庫壩址位于余姚市姚江支流大隱溪上，距余姚城區(qū)22km、寧波市區(qū)17km，是以供水、防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等功能的二等綜合水利工程。水庫集水面積40.01km2，總庫容3398萬m3，水庫正常蓄水位65.30m（國家85高程，下同），設(shè)計洪水標準為100年一遇，相應洪水位為68.04m，校核洪水標準為2000年一遇，相應洪水位為70.00m。大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程為70.00m，防浪墻頂高程71.20m，最大壩高52.10m，壩頂寬6.9m，長426.0m，大壩上、下游坡坡比分別為1：1.4、1：1.3，在下游23.0m、39.0m、54.0m高程處，設(shè)置三級3.0m寬的馬道。壩基覆蓋層主要為砂礫（卵）石層，最大厚度為15.4m。

圖1 二維整體網(wǎng)格

2 二維靜力非線性有限元計算分析

2.1 二維計算幾何模型

根據(jù)壩趾區(qū)地質(zhì)條件和壩體分區(qū)特點，除河床砂礫石覆蓋層和岸坡強風化基巖參與結(jié)構(gòu)計算外，地基按剛性考慮。以河床典型剖面（壩0+192.0m）為基準，采用二維自動剖分程序剖分壩體單元。平面有限元計算壩體單元劃分為四邊形四結(jié)點單元和少量過渡的三角形單元。將壩體斷面剖分單元總數(shù)為472個，其中面板與墊層間設(shè)置接觸面單元為15個，結(jié)點總數(shù)為507個，剖分后的計算網(wǎng)格見圖1。

2.2 計算參數(shù)

各主要材料分區(qū)的鄧肯E-B本構(gòu)模型參數(shù)見表1?；炷撩姘?、趾板及防滲墻采用線彈性模型，混凝土面板、趾板參數(shù)指標：密度2.45g/cm3，彈性模量20GPa，泊松比0.167；防滲墻指標：密度2.4g/cm3，彈性模量20GPa，泊松比0.167。

表1 筑壩材料E—B模型參數(shù)

3 計算成果分析

0+192m計算剖面的竣工期及蓄水期水平位移、垂直位移、大小主應力及應力水平的等值線圖分別見圖2～6、圖8～12?？⒐て诩靶钏谖灰剖噶繄D見圖7、圖13。

圖2 竣工期水平位移等值線圖(cm)

圖3 竣工期垂直位移等值線圖(cm)

圖4 竣工期大主應力等值線圖(MPa)

圖5 竣工期小主應力等值線圖(MPa)

圖6 竣工期應力水平等值線圖

圖7 竣工期位移矢量圖

圖8 蓄水期水平位移等值線圖(cm)

圖9 蓄水期垂直位移等值線圖(cm)

圖10 蓄水期大主應力等值線圖(MPa)

圖11 蓄水期小主應力等值線圖(MPa)

圖12 蓄水期應力水平等值線圖

圖13 蓄水期位移矢量

3.1 堆石體變形分析

（1）竣工期

由于施工期自重以及堆石料的泊松效應，壩體及覆蓋層的水平位移變化規(guī)律大致以壩體中心為界，下游部分向下游移動，上游部分向上游移動。向上游移動的最大值為6.96cm，位于上游壩坡中下部；向下游移動的最大值為7.03cm，位于下游壩坡中下部；壩體最大豎向位移出現(xiàn)在約1/3壩高的主堆石料內(nèi)，其值為35.14cm，約為壩高（不含覆蓋層）的0.78%，由于堆石壩坐落在相對較軟的覆蓋層上，其沉降中心較一般建于基巖上的壩偏向下部。在自重作用下壩體的變形矢量方向為向下、向外。

（2）正常蓄水期

蓄水期壩體受水壓力的推動，整體向下游側(cè)移動，向下游移動的最大位移值為14.44cm，發(fā)生在壩體上游側(cè)面板部位，下游壩坡向下游側(cè)最大變形增加為11.55cm；在水荷載作用下，壩體的豎向位移量值較竣工期略有增加，增加為37.97cm，且沉降中心稍向上游移動。在自重及水荷載綜合作用下壩體的變形矢量方向為向下游移動。

3.2 堆石體應力及應力水平分析

（1）竣工期

壩體堆石料內(nèi)大、小主應力隨深度的增加而增加，基本接近自重方向。壩體的大主應力的最大值為1.08MPa，小主應力最大值為0.29MPa，兩者均位于壩體底部中央的覆蓋層內(nèi)。

竣工期壩體的應力水平等值線基本平行于壩坡，個別單元最大應力水平為0.6，主要發(fā)生在覆蓋層內(nèi)，不影響壩體的整體穩(wěn)定性。

（2）正常蓄水期

蓄水期壩體面板受水荷載的作用，大、小主應力線出現(xiàn)上抬并與面板相交，大主應力最大值為1.22MPa，小主應力最大值為0.34MPa。

蓄水期，隨著水位的升高，應力水平發(fā)生了重分布，應力水平最大值0.91，主要發(fā)生在上游覆蓋層內(nèi)，由于該覆蓋層內(nèi)摩擦角相對較小，該處應力水平較高且較為集中。蓄水后防滲墻上游覆蓋層出現(xiàn)高應力水平區(qū)，最大值為0.91，該區(qū)類似于主動土壓力區(qū)，防滲墻下游應力水平亦有提高，由竣工期的0.36增加至0.69，該區(qū)類似于被動土壓力區(qū)，由應力水平分布圖13可知，雖然蓄水導致兩區(qū)應力水平增大，但壩體各區(qū)依然是穩(wěn)定的，未出現(xiàn)應力水平接近于1.0的破壞區(qū)域。

3.3 面板變形分析

圖14和圖15分別為竣工期面板沿高程方向撓度和應力分布圖；圖16和圖17為滿蓄期面板沿高程方向撓度和應力分布圖。從圖中可以看出：

（1）面板變形分析

竣工期，面板撓度僅由于自重引起，其量值較小，最大撓度僅為0.52cm。最大值出現(xiàn)在面板中上部。正常蓄水期，面板變形分布規(guī)律較好，面板撓度指向壩內(nèi)，面板中下部約1/3壩高部位區(qū)域數(shù)值較大，最大值為17.13cm，出現(xiàn)在高程31.5m附近。

（2）面板應力分析

竣工期，面板應力主要由自重引起，其順坡向應力較小，最大僅為0.03MPa。正常蓄水期，在水壓力作用下，面板絕大部分區(qū)域表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。其中順坡向壓應力最大值為6.97MPa。出現(xiàn)在高程31.5m附近。

圖15 竣工期面板順坡向應力分布圖

圖14 竣工期面板撓度分布圖

圖16 蓄水期面板撓度分布圖

圖17 蓄水期面板順坡向應力分布圖

4 結(jié)論

（1）蓄水期壩體在水壓力作用下整體向下游位移，最大水平位移約為竣工時的2倍，最大豎向位移相比于竣工時增加約8%。蓄水時，在自重及水荷載綜合作用下壩體的變形矢量方向為向下游移動。

（2）蓄水期壩體面板受水荷載的作用，大、小主應力線出現(xiàn)上抬并與面板相交，和竣工期相比，大、小主應力最大值增加幅度分別為13%和17%。隨著水位的升高，應力水平發(fā)生了重分布，應力水平最大值0.91，未出現(xiàn)應力水平接近于1.0的破壞區(qū)域。

（3）竣工期，面板撓度及應力僅由于自重引起，其量值較小，蓄水后，面板撓度指向壩內(nèi)，面板表面為壓應力，最大撓度及最大應力均分布于約1/3壩高部位。

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6. 趙一新.深厚覆蓋層地基高面板堆石壩應力變形動力有限元分析[D]. 西安:西安理工大學,2009.

7. 王文嬌.深厚覆蓋層地基面板堆石壩的抗震特性研究析[D]. 鄭州:鄭州大學,2013.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.015

TV64

B

1672-2469（2014）08-0045-05

15基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目 (201201043)。

陳 飄（1975年—），男，高級工程師。