劉文娜

（山西省水利水電勘測設計研究院山西太原030024）

壩料孔隙率對面板堆石壩施工優(yōu)化的影響分析

劉文娜

（山西省水利水電勘測設計研究院山西太原030024）

堆石料的孔隙率（干密度）是面板堆石壩施工的重要參數(shù)之一，對壩體的變形有較大影響。本文針對積石峽面板堆石壩，采用試驗得到的參數(shù)對堆石區(qū)不同干密度工況進行計算，分析了不同干密度情況下壩體變形穩(wěn)定時間的規(guī)律，可以為后續(xù)大壩的施工和變形預測提供指導和依據(jù)。

面板堆石壩；孔隙率；施工優(yōu)化；影響分析

積石峽面板堆石壩壩高100m，設計填筑方量約280萬m3。根據(jù)清華大學等單位對開挖料用于該堆石壩的可行性研究成果，將盡可能多的采用開挖料筑壩［1-4］。一方面能夠降低填筑料的開挖運輸成本，另一方面可以節(jié)省處理開挖料的成本。積石峽面板堆石壩原計劃在壩體填筑完成后，待變形穩(wěn)定6個月后再進行面板施工?？紤]到目前壩體填筑有些滯后，為了實現(xiàn)早日蓄水發(fā)電，需要研究對大壩施工方案進行優(yōu)化分析，探討較計劃縮短壩體變形穩(wěn)定期、提前進行面板施工的可行性，研究減小由于縮短壩體穩(wěn)定期后導致的壩體流變變形以及其對面板不利影響的設計和施工優(yōu)化措施。本文針對不同干密度堆石料筑壩情況進行不同變形穩(wěn)定時間方案的流變變形計算分析，探討壩料干密度對施工期優(yōu)化分析的影響研究。

1　工程概況

積石峽為二等大（2）型水電工程，大壩等級為1級。大壩最大壩高為103 m，正常蓄水位為1856 m，死水位為1852 m。該工程以發(fā)電為主，年發(fā)電量為33.63億kW·h，保證出力為332.3MW。大壩建于U型河谷斷面之上，地處高山峽谷地區(qū)，河谷左右岸并不對稱，并且相對較為陡峭，其中左岸岸坡角達60°～70°，而右岸相對較緩也達到40°～60°。在上述不利地質(zhì)條件上建造高103 m的面板堆石壩，減少大壩的不均勻沉降和滲漏水量是一個關鍵問題。大壩的分區(qū)主要由面板、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)以及護坡等組成。其中墊層和過渡層由砂礫石料組成，而堆石料由砂巖組成?；炷撩姘蹇偯娣e為3.5萬m2，厚0.3m～0.59 m，面板材料采用C25混凝土。

2　計算模型

2.1堆石料流變模型及參數(shù)

假設堆石料的流變特性用Merchant模型描述，即符合式（2-1）。將應變分解成體積應變和剪切應變兩部分：

其中，εvf和γf分別為最終體積流變量和最終剪切流變量。

三參數(shù)流變模型的參數(shù)為α、b、d；七參數(shù)流變模型的參數(shù)為α、b、c、d、m1、m2、m3。三參數(shù)流變模型比較簡單，參數(shù)較少，但是不能很好地符合流變試驗結(jié)果。七參數(shù)流變模型認為體變不僅與圍壓有關，而且與軸向荷載相關。從堆石流變的機理上來看，流變主要是由于堆石顆粒的破碎引起，而試驗結(jié)果表明，當荷載較小時，顆粒破碎量隨荷載加大而明顯增加，但是隨著荷載進一步增加，顆粒破碎量增加相對減慢。所以七參數(shù)流變模型能夠更加合理反映流變變形量的各種影響因素，但是參數(shù)較多，不利于參數(shù)反演計算。

本文在調(diào)研分析積石峽面板堆石壩3種壩料的流變試驗結(jié)果的基礎上，提出最終流變量由下式計算：

這個流變模型的最終流變量具有七參數(shù)流變模型的類似表達形式，能夠綜合反映流變變形量的多種影響因素，但是模型參數(shù)大大減少，只有兩個：α、b，這樣有利于參數(shù)的反演計算。其中α是表示初始流變速率的量，其值越大則變形穩(wěn)定越快，反之則越慢；b值則確定最終體積流變量和最終剪切流變量的大小。下文不妨稱其為二參數(shù)流變模型。大壩的加載變形的計算采用清華混合料加載模型，流變變形計算采用上述的二參數(shù)流變模型。流變模型參數(shù)通過類比相似工程確定如表1。

表1　流變模型參數(shù)

2.2有限元模型

本文對大壩典型斷面進行二位數(shù)值計算，計算所取斷面為大壩典型剖面圖。其中網(wǎng)格包含結(jié)點數(shù)為386，單元數(shù)為355。在計算中盡量真實模擬了壩體分層均勻上升的填筑過程，面板施工過程和水庫蓄水過程。壩體施工結(jié)束后再進行面板施工，壩體竣工以后蓄水至設計水位。本次計算考慮了壩體與基巖的接觸面、采用了試驗結(jié)果確定了擠壓墻以及其與面板接觸面的相關參數(shù)。計算時上游水壓力按照面力施加在上游面板表面，模型底部施加固定約束。

3　不同壩料孔隙率（干密度）施工優(yōu)化分析

采用表1中的流變模型參數(shù)，針對相對較高和相對較低干密度的兩種方案進行了不同變形穩(wěn)定時間的流變計算分析。變形穩(wěn)定時間分別為0天、30天、60天、90天、120天、180天和360天的施工方案。

由計算結(jié)果可以得到以下規(guī)律：

1）流變變形對大壩的位移場有一定影響，壩體豎向沉降及順河向位移均有所增加；由流變引起的豎向位移增量沿壩體高程逐漸增加，使得壩體總體沉降最值位置較蓄水完成期有所抬高；壩體順河向位移的增量方向指向下游，使得壩體總體水平向位移向上游有所減小，向下游有所增加；流變變形對大壩的應力場影響較小。

2）流變變形引起了壩體變形增加，從而使得面板撓度增大和應力發(fā)生較為明顯的變化。堆石料流變變形引起的面板撓度增量隨著高程逐漸增大，在面板頂部達到最大，使得面板撓度最大值位置有所抬高；流變變形對面板應力產(chǎn)生了較大的影響，其中順坡向應力、壓應力明顯增大，但對拉應力大小和分布影響不大；面板水平向應力壓應力有所增大，拉應力區(qū)域略有縮小而大小變化不明顯。

3）大壩的應力變形與變形穩(wěn)定時間的關系表現(xiàn)出較為明顯的階段性：當變形穩(wěn)定時間小于30天時，壩體應力變形隨著變形穩(wěn)定時間的增加顯著減??；當變形穩(wěn)定時間在30天至180天變化時，壩體應力變形的減小與變形穩(wěn)定時間的增加基本呈線性關系；當變形穩(wěn)定時間大于180天時，壩體應力變形隨變形穩(wěn)定時間的變化不大。

4）不同的干密度主要影響加載產(chǎn)生的壩體變形和面板應力變形，較高干密度時壩體變形相對較小，面板應力和變形也相對低干密度時較??；鑒于施工過程中干密度變化范圍較小，可以認為堆石料流變參數(shù)變化不大，那么，除由于加載變形導致的總體變形不同外，干密度的變化對運行期壩體應力和變形增量的影響很小。

4　結(jié)語

本文基于已有的研究成果和工程經(jīng)驗，通過數(shù)值模擬方法，探討大壩施工的優(yōu)化措施并評價其有效性，其核心是分析不同干密度條件下壩體變形規(guī)律。進行了不同干密度方案的流變計算分析，探討了流變變形對大壩應力變形的影響規(guī)律，并計算分析了不同變形穩(wěn)定時間方案大壩全過程的應力變形規(guī)律研究，論證探討了大壩施工期優(yōu)化方案。陜西水利

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［3］溫立峰，柴軍瑞，王曉.深覆蓋層上面板堆石壩應力變形特性研究.巖土力學，2015.36（8）:2686-2394.

［4］羅剛，張連衛(wèi)，張建民.高擋墻混合壩動力反應分析.水力發(fā)電學報，2004，（5）.

（責任編輯：暢妮）

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