，

(1.蘭州城市學院，蘭州 730000； 2.瑞和安惠項目管理集團有限公司，石家莊 050000)

1 概 述

混凝土面板堆石壩是在堆石體上游面坡處設(shè)置一層混凝土面板而防滲的壩型，它具備對地質(zhì)地形適應性強、施工方便、投資省、運行安全以及抗震性好等特點[1]。隨著碾壓混凝土技術(shù)的發(fā)展，混凝土面板堆石壩逐步在我國得到非常廣泛的應用，其數(shù)量及壩高均在不斷增加[2]。因我國幅員遼闊，各地區(qū)之間的地質(zhì)地形有較大差異，在施工過程中可能遇到覆蓋層厚度較大的河谷地形，為避免因開挖全部覆蓋層使工程量及工程投資過大，需在深厚覆蓋層上修建混凝土面板堆石壩。深覆蓋層上的面板堆石壩受覆蓋層影響，在施工期即會產(chǎn)生沉降變形，在運行期壩體的沉降變形將會越來越大，若工程措施采用不當，壩體將產(chǎn)生過大裂縫使壩體整體性遭到破壞，導致滲漏等問題，嚴重影響壩體的安全運行。因此，研究深覆蓋層復雜地基上混凝土面板堆石壩的應力變形問題是非常必要的。鑒于此，本文以建立在深覆蓋層上的察汗烏蘇混凝土面板堆石壩為研究對象，應用ANSYS軟件建立其三維有限元模型，模擬大壩分層填筑及加載的過程，并對大壩竣工期、死水位、正常蓄水位等工況下堆石體及混凝土面板的應力變形情況進行分析，以期揭示深覆蓋層上混凝土面板堆石壩在各工況下的應力變形規(guī)律，為工程設(shè)計提供支持。

2 材料與研究方法

2.1 工程概況

察汗烏蘇水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，電站總裝機容量300 MW，正常蓄水位以下庫容1.083×108m3，屬于大(Ⅱ)型水利樞紐工程，水庫死水位為1 610.00 m，正常蓄水位為1 645.00 m。大壩壩型為混凝土面板堆石壩，大壩長度為347.36 m，壩頂寬度為10.0 m，壩頂高程1 561.6 m，最大壩高為107.6 m，上游壩坡為1∶1.5，面板厚度為1.0～1.8 m，下游平均坡度為1∶1.80。大壩堆石料由上游至下游依次為墊層料、過度料、主砂礫石、次砂礫石、下游堆石料。壩址河床覆蓋層平均厚度達40 m，地基處理方式為將趾板直接放置在砂礫石覆蓋層上，在覆蓋層內(nèi)部設(shè)置一道長度為120.11 m的混凝土防滲墻進行地基防滲，并通過連接板、趾板與混凝土面板相連，形成完整的防滲體系。壩體典型斷面見圖1。

2.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

在有限元數(shù)值模擬中，壩體及地基材料采用Duncan Chang 非線彈性E-B模型[3-6]，通過ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言ADPL對其進行二次開發(fā)，混凝土面板及混凝土防滲墻采用線彈性模型，混凝土面板與墊層、防滲墻與覆蓋層之間的接觸面采用無厚度Goodman接觸單元[7-10]進行模擬。

Duncan Chang 非線彈性E-B模型的切線彈性模量Et計算公式為：

(1)

切線體積模量Bt計算公式為：

(2)

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；Pa為大氣壓力；C、φ為土體抗剪強度指標；Rf為破壞比；K為彈性模量；n為彈性模量指數(shù)；Kb為體積模量；m為體積模量指數(shù)。

由室內(nèi)三軸試驗得到壩基及壩體各分區(qū)材料參數(shù)[11]，見表1。

圖1 察汗烏蘇混凝土面板堆石壩典型橫剖面圖(高程單位：m)Fig.1 The Typical transverse section plan of concrete face rockfill dams of Chahanwusu(Elevation Unit：m)

材料名稱γd/g·(cm3)-1KKbRfnmφ/(°)Δφ/(°)主砂礫石2.1912605220.8910.400.1753.210.4次砂礫石2.169304150.8230.280.0551.49.3下游堆石料2.109004650.8660.370.1554.410.7過渡料2.201 4006650.9500.420.4051.27.9墊層料2.201 5006750.9500.420.4051.27.9壩基砂礫石2.141 2004500.8400.440.2048.57.2壩基粗砂1.848504050.7450.330.0446.53.2面板2.35280 000140 000///40.0/防滲墻2.35315 000150 000///40.0/

2.3 有限元模型

根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)在ANSYS中建立三維有限元模型，見圖2。坐標采用笛卡爾直角坐標系，原點為壩體中線與覆蓋層表面的交點，順水流方向為X正向，豎直朝上為Y正向，沿壩軸線從左岸至右岸方向為Z正向。為考慮到壩基深覆蓋層對大壩應力變形的影響，模型壩基及壩肩部位的范圍設(shè)為：自上游壩腳處向上游方向延伸100 m，自下游壩腳處向下游方向延伸150 m，壩基厚度取為覆蓋層的平均厚度40 m，壩肩自堆石體左右側(cè)面各向外延伸50 m，堆石體、混凝土面板及覆蓋層部位均采用三維實體單元Solid65進行網(wǎng)格劃分，混凝土面板與墊層的接觸面分別采用目標單元Targe170及接觸單元Conta173來劃分目標面及接觸面以模擬兩者的相互作用，計算模型共劃分單元總數(shù)31 320個，節(jié)點總數(shù)34 626個。模型底部施加固定約束，上下游邊界面及左右邊界面均施加法向約束，其余結(jié)構(gòu)面均為自由面。為模擬壩體的分層填筑施工過程，利用ANSYS的“單元生死”功能對壩體進行分級加載[12-13]。

圖2 察汗烏蘇混凝土面板堆石壩三維有限元計算模型Fig.2 The three-dimensional finite element model of Chahanwusu concrete face rockfill dams

3 結(jié)果與分析

3.1 壩體應力變形特性

本文選取最大壩高典型斷面對察汗烏蘇混凝土面板堆石壩的應力變形特性進行分析?，F(xiàn)以大壩竣工期工況為例進行分析，圖3為竣工期大壩主應力等值分布云圖。由圖3可知，壩體竣工后在自重應力作用下，大主應力對應的最大受拉區(qū)位于上游壩腳處混凝土面板與趾板連接處，最大拉應力值為21.60 kPa。大主應力對應的最大受壓區(qū)位于壩體橫剖面中部對應的覆蓋層底部，最大壓應力值為2.12 MPa。小主應力對應的最大受拉區(qū)同樣位于混凝土面板與趾板連接處，最大拉應力為0.87 kPa。小主應力對應最大受壓區(qū)同樣位于壩體橫剖面中部對應的覆蓋層底部，最大壓應力為3.74 MPa。

圖3 竣工期大壩主應力等值分布云圖(單位：Pa)Fig.3 The chorogram of principal stress at the time of completion (Unit: Pa)

圖4為竣工期大壩變形位移等值分布云圖。由圖4可知，對于X向橫向變形，竣工期上游壩體向逆流方向發(fā)生變形，而下游壩體向順流方向發(fā)生變形，最大順流位移位于下游壩腳底部覆蓋層下約10 m處，其值為12.32 cm，最大逆流位移位于上游壩腳底部覆蓋層下約20 m處，其值為12.98 cm，可見竣工期上下游壩體橫向位移最大值大致相等。對于Y向豎直變形，壩體整體發(fā)生下沉，最大沉降量為65.02 cm，最大沉降變形區(qū)域位于偏向壩體底部的位置，而修建于基巖上的壩體最大沉降變形區(qū)域往往位于壩體中部位置，因此可見深覆蓋層對其上部的壩體的沉降變形有較明顯的影響。

將3種工況下大壩的應力變形分析結(jié)果匯總，見表2。對比分析3種工況下壩體應力分布可知，3種工況下大壩大小主應力對應的最大拉應力及最大壓應力發(fā)生的位置大致相同，但隨庫水位的增加，壩體大主應力最值逐漸增大，而小主應力最值略有減小。因蓄水作用，大壩墊層區(qū)大小主應力對應的壓應力均有所增大，譬如與竣工期相比，死水位工況下墊層區(qū)大主應力對應的壓應力最大值由0.22 MPa增加至0.68 MPa。總體上，蓄水后大壩上游大主應力受壓區(qū)范圍較下游為大，因此大壩大主應力呈不對稱分布，而小主應力呈對稱分布。對比分析3種工況下壩體位移分布可知，庫區(qū)蓄水后水壓力通過面板傳遞至堆石體，隨庫水位的增加，上游壩體的逆流向位移將顯著減小，且其最大值區(qū)域逐漸向上游移動，而下游壩體的順流向位移略有增加，且其最大值區(qū)域逐漸向下游移動。對于豎向位移，蓄水引起的壩體下沉量增加不大。

圖4 竣工期大壩變形位移等值分布云圖(單位：m)Fig.4 The chorogram of dam′s deformation and displacement at the time of completion(Unit: m)

工況大主應力 /MPa小主應力 /MPa橫向位移 /cm最大壓應力最大拉應力最大壓應力最大拉應力逆流向最大位移順流向最大位移豎向位移最大下沉量/cm竣工期2.1221.603.740.8712.9812.3265.02死水位2.1622.703.700.8611.7913.0264.91正常蓄水位2.2123.503.690.8611.6614.2266.18

3.2 混凝土面板應力變形特性

對3種工況下混凝土面板的應力變形特性進行分析。圖5為竣工期大壩混凝土面板主應力等值分布云圖。由圖5可看出，對于大主應力，竣工后面板主要受到壓應力作用，僅在面板上部及岸坡處出現(xiàn)較小拉應力，壓應力最大值出現(xiàn)在面板底端中部位置。對比分析3種工況下面板應力分布云圖(圖略)可知，蓄水后，在水壓力作用下，面板頂部的拉應力及中下部的壓應力均有所增加，蓄水至正常蓄水位時，拉應力最大值為1.84 MPa，壓應力最大值為4.12 MPa。對于小主應力，竣工后面的板河床段部位主要處于壓應力狀態(tài)，而岸坡部位處于拉應力狀態(tài)，其中壓應力最大值為22.40 MPa，拉應力最大值為1.63 MPa，蓄水后在水壓作用下，隨庫水位的增加面板所受拉應力值逐漸增大，而壓應力值逐漸減小，蓄水至正常蓄水位時，壓應力最大值減小至14.90 MPa，拉應力最大值增大至3.03 MPa，可見壓應力的變化幅度明顯大于拉應力變化幅度。

圖6為竣工期大壩混凝土面板變形位移等值分布云圖。由圖6可看出，對于X向橫向位移，竣工后面板兩側(cè)發(fā)生了較小的順流向位移，其最大值僅有0.06 cm，而面板中部即河床段部位發(fā)生了逆流向位移，且其值較大，最大逆流位移為5.85 cm。由此可見，竣工后混凝土面板產(chǎn)生鼓起脫空的現(xiàn)象，因此要求面板混凝土材料具有一定抗彎能力。對比分析3種工況下面板變形位移分布云圖(圖略)可知，蓄水后隨庫水位的增加，面板順流向位移明顯增加，而逆流向位移減小。蓄水至正常蓄水位時，面板中下部出現(xiàn)較大順流向位移，而面板四周出現(xiàn)較大逆流向位移，其中順流位移最大值達7.80 cm，逆流位移最大值為1.00 cm，由此可見隨庫水位增加面板的鼓起脫空現(xiàn)象將逐漸消失。對于Y向的位移變形，3種工況下面板均僅發(fā)生向下的沉降，最大沉降區(qū)域出現(xiàn)在面板底部。隨庫水位增加，面板沉降量逐漸增大，蓄水至正常蓄水位時最大沉降量達7.80 cm。

3種工況下大壩混凝土面板的應力變形分析結(jié)果匯總見表3。

圖5 竣工期大壩混凝土面板主應力等值分布云圖(單位：Pa)Fig.5 The chorogram of principal stress on dam′s concrete panel at the time of completion(Unit: Pa)

圖6 竣工期大壩混凝土面板變形位移等值分布云圖(單位：m)Fig.6 The chorogram of deformation and displacement on dam′s concrete panel at the time of completion(Unit: m)

工況大主應力 /MPa小主應力 /MPa橫向位移 /cm最大壓應力最大拉應力最大壓應力最大拉應力逆流向最大位移順流向最大位移豎向位移最大下沉量/cm竣工期3.660.0922.401.635.850.068.40死水位3.890.5517.201.902.402.9812.50正常蓄水位4.121.8414.903.031.007.8017.50

4 結(jié) 論

1) 3種工況下，壩體大小主應力對應的最大拉應力均出現(xiàn)在混凝土面板與趾板連接處，最大壓應力均出現(xiàn)在壩體橫剖面中部對應的深覆蓋層底部。蓄水后壩體大主應力呈偏向上游的不對稱分布，小主應力呈對稱分布。隨庫水位增加，壩體大主應力逐漸增大，小主應力略有減小。

2) 3種工況下，在X方向上游壩體向逆流方向發(fā)生位移變形，下游壩體向順流方向發(fā)生位移變形，隨庫水位的增加，逆流向橫向位移減小，最大逆流位移區(qū)域向上游移動；順流向橫向位移增加，最大順流位移區(qū)域向下游移動。3種工況下在Y向壩體均只發(fā)生向下的位移變形，隨水位的增加，豎向變形變化不大。

3) 竣工后面板大主應力主要為壓應力，且底部壓應力最大，壩頂及岸坡出現(xiàn)較小拉應力，隨庫水位增加，面板壓應力及拉應力均增大?？⒐ず竺姘搴哟捕涡≈鲬χ饕獮閴簯Χ鴥砂镀绿幟姘宀糠中≈鲬χ饕獮槔瓚ΓS庫水位增加，面板所受拉應力增大而壓應力減小，但壓應力變化幅度較大。

4) 竣工后面板兩岸坡部分發(fā)生較小的順流向橫向位移，而河床段發(fā)生較大的逆流向橫向位移，面板出現(xiàn)鼓起脫空現(xiàn)象，隨庫水位增加，面板順向位移逐漸增大，而逆向位移逐漸減小，脫空現(xiàn)象逐漸消失。3種工況下在Y向面板均只發(fā)生向下的位移變形，最大值出現(xiàn)在面板底端中部，且隨庫水位增加其值逐漸增大。