何 君，馬 超，史忠樂(lè)

(1.山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250100；2.黃委會(huì)山東黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250011)

混凝土面板堆石壩(CFRD)具有施工簡(jiǎn)便、就地取材、地質(zhì)條件要求低、抗震性能強(qiáng)、造價(jià)便宜等一系列優(yōu)勢(shì)，是水利水電工程中極為重要的一種壩型。我國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始面板堆石壩的建設(shè)，迄今已取得很大進(jìn)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建成的100m級(jí)以上高壩有90多座，尤其在近10年，相繼設(shè)計(jì)和建成了20多座150m級(jí)及以上高壩，其中壩高233m的水布埡面板壩為世界上已建成的最高面板壩。大量的工程建設(shè)代表著我國(guó)面板堆石壩的設(shè)計(jì)施工技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)的不斷發(fā)展與積累?，F(xiàn)已建成的高面板堆石壩大多建于較寬闊的河谷，壩體寬高比通常大于3.0，如天生橋一級(jí)(壩高178.0m，寬高比6.20)、紫坪鋪(壩高158.0m，寬高比4.20)。但是仍有部分面板壩修建在狹窄的河谷地區(qū)，壩體的寬高比接近于2.0甚至1.0。對(duì)于狹窄河谷上的面板壩，壩體寬高比較小，兩岸陡峻，地形復(fù)雜，壩體應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的拱效應(yīng)，其變形特性更值得關(guān)注[1]。

目前國(guó)內(nèi)外堆石壩工程計(jì)算中常用的本構(gòu)模型有彈性非線性模型和彈塑性模型。其中彈性非線性模型使用最多的有鄧肯E-v、E-B模型[2]、清華K-G模型[3]，代表性彈塑性模型有沈珠江雙屈服面模型[4]。近些年，廣義塑性模型[5]得到了發(fā)展，由于自身的簡(jiǎn)潔高效，逐漸在堆石壩中有所運(yùn)用[6- 7]，文獻(xiàn)[8]通過(guò)修正廣義塑性模型塑性模量，可以較為合理地預(yù)測(cè)堆石料三軸加載下的強(qiáng)度和變形特性，目前廣義塑性模型在狹窄河谷面板中應(yīng)用較為少見(jiàn)，因此本文使用改進(jìn)的廣義塑性模型進(jìn)行黔中水利面板壩應(yīng)力變形計(jì)算，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步驗(yàn)證模型在狹窄河谷面板壩中的適用性。

1 黔中水利樞紐面板壩介紹

1.1 工程概況

黔中水利樞紐工程位于貴州中部黔中地區(qū)，處于長(zhǎng)江和珠江兩大流域分水嶺地帶，是貴州省首個(gè)大型跨地區(qū)、跨流域、長(zhǎng)距離水利調(diào)水工程。平寨水庫(kù)水源工程主要包括水庫(kù)、大壩樞紐及電站工程。水庫(kù)大壩位于六枝特區(qū)與織金縣交界的三岔河中游平寨河段附近，壩址地形為貴州省內(nèi)較常見(jiàn)的“V”型河谷。壩址所在河谷狹窄，兩岸地形不對(duì)稱，尤其是右岸地形陡峻，壩頂高程處河谷寬高比約2.2，屬峽谷區(qū)興建的高面板壩。水庫(kù)大壩壩型采用混凝土面板堆石壩，最大壩高157.5m，水庫(kù)總庫(kù)容10.89億m3，正常蓄水位以下庫(kù)容10.34億m3，興利調(diào)節(jié)庫(kù)容4.48億m3。平寨電站裝機(jī)容量136MW，渠首電站裝機(jī)容量4.2MW。

大壩于2012年1月7日開(kāi)始填筑，填筑共分Ⅲ期進(jìn)行。壩體填筑詳情如圖1所示。

在壩橫0-007.5m斷面，0-065.0m斷面，0-100.5m斷面內(nèi)部埋設(shè)4層(1207.0m、1242.0m、1272.5m、1302.5m)水管式沉降儀，用來(lái)監(jiān)測(cè)壩體沉降。

圖1 壩體填筑詳情

圖2 攔河壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

1.2 單元離散及模擬方法

攔河壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖2所示，形成的空間三維網(wǎng)格圖如圖3所示，三維實(shí)體單元一般采用8結(jié)點(diǎn)六面體等參單元，為適應(yīng)邊界條件以及壩料分區(qū)的變化，部分采用三棱體和四面體作為退化的六面體單元處理，單元編號(hào)根據(jù)壩體施工順序進(jìn)行，共形成三維實(shí)體單元12089個(gè)，結(jié)點(diǎn)14136個(gè)。

有限元計(jì)算模擬填筑、蓄水順序?yàn)椋捍髩微衿谔钪?244m高程，歷時(shí)120d→大壩Ⅱ期填筑至1255m高程，歷時(shí)180d→Ⅰ期面板澆筑至1244m高程→大壩Ⅲ期填筑壩頂，歷時(shí)270d→停工150d→Ⅱ期面板澆筑，歷時(shí)120d→防浪墻施工，歷時(shí)60d→蓄水至正常蓄水位1331m高程，歷時(shí)135d→蓄水運(yùn)行20年。共分為69級(jí)進(jìn)行模擬，其中壩體填筑分19級(jí)模擬計(jì)算，蓄水過(guò)程分10級(jí)模擬計(jì)算，蓄水運(yùn)行分24級(jí)模擬計(jì)算。

圖3 攔河壩三維網(wǎng)格圖

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1 堆石體本構(gòu)模型及參數(shù)

堆石體作為混凝土面板堆石壩的主體，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的合理模擬對(duì)提高混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果的合理性非常重要。作為一類散粒類材料，堆石體的力學(xué)行為受其應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑以及應(yīng)力歷史的影響，因而呈現(xiàn)出明顯的非線性以及剪脹/剪縮性，本文采用改進(jìn)的廣義塑性模型[8]對(duì)黔中面板壩進(jìn)行計(jì)算分析。

對(duì)于廣義塑性模型，根據(jù)各分區(qū)黔中壩料的500kPa、1000kPa、1500kPa、2000kPa的三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理可得參數(shù)α、Mg、M、n、Go、Pc的值，

表1 廣義塑性模型參數(shù)

由于缺少等向壓縮試驗(yàn)資料，對(duì)應(yīng)參數(shù)β、γ、m、H0通過(guò)擬合三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用IGA反演確定[9]，根據(jù)室內(nèi)三軸試驗(yàn)確定的參數(shù)見(jiàn)表1，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4—8所示，可見(jiàn)廣義塑性模型可以較好地預(yù)測(cè)堆石料常規(guī)三軸試驗(yàn)，在預(yù)測(cè)堆石料強(qiáng)度變形規(guī)律上具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

圖4 墊層料三軸試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果

圖5 過(guò)渡料三軸試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果

2.2 面板、流變以及接觸面模型及參數(shù)

混凝土面板采用線彈性模型，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，面板按線彈性考慮，容重γ=24.5kN/m3，彈性模量E=30GPa，泊松比μ=0.167。由于混凝土結(jié)構(gòu)與周圍材料的剛度差異較大，在荷載作用下，兩者接觸面因變形不協(xié)調(diào)會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。為了反映兩者之間的相互作用，進(jìn)行有限元分析時(shí)，必須考慮其接觸特性。數(shù)值計(jì)算采用Goodman單元進(jìn)行計(jì)算對(duì)于法向勁度系數(shù)Kyy，當(dāng)接觸面受壓時(shí)，取較大值(如Kyy=108kN/m3；當(dāng)接觸面受拉時(shí)，取Kyy為較小值(如Kyy=10kN/m3)，根據(jù)墊層料與混凝土直剪試驗(yàn)得到的接觸面模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Goodman接觸面模型參數(shù)

流變量與所處的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，這里采用在七參數(shù)流變模型[10]計(jì)算堆石料流變變形。該模型比較簡(jiǎn)單、實(shí)用，可方便的用于土石壩的應(yīng)力應(yīng)變分析。根據(jù)試驗(yàn)確定的黔中水利樞紐面板壩壩料流變模型參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 流變計(jì)算參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

采用廣義塑性模型，配合接觸面模型和流變模型，計(jì)算的蓄水期河床斷面0+0變形分布如圖9所示，從圖9可以看出，蓄水完成初期指向上游的水平位移最大值為2.7cm，指向下游的水平位移最大值為6.3cm，最大豎向沉降為77.5cm，符合面板堆石壩變形基本規(guī)律。

圖9 考慮流變蓄水期河床斷面0+0變形分布圖(cm)

黔中水利樞紐面板建設(shè)初期，在多個(gè)斷面埋設(shè)4層水管式沉降儀，具有相對(duì)較豐富的水平沉降監(jiān)測(cè)資料。壩橫0-007.5m斷面測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值如圖10所示，對(duì)于此斷面，考慮流變使用廣義塑性模型的計(jì)算值與運(yùn)行至2015年4月12日的監(jiān)測(cè)值對(duì)比結(jié)果如圖11所示，從圖11中可以看出，對(duì)于1207m和1242m高程處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用廣義塑性模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近，豎向沉降變化規(guī)律基本一致；對(duì)于1272m高程處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在下游處監(jiān)測(cè)點(diǎn)與計(jì)算結(jié)果接近，上游處監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，對(duì)于1302m高程處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，中間監(jiān)測(cè)點(diǎn)與計(jì)算結(jié)果接近，兩邊的監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值有一定差異。從整體計(jì)算結(jié)果來(lái)看，面板壩靠近下游處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與計(jì)算值是較為接近，靠近上游處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差略大；對(duì)比不同高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值與計(jì)算值大小及變化規(guī)律，可以看出，廣義塑性模型計(jì)算結(jié)果可以基本反映堆石壩的變形情況，廣義塑性模型同樣可以應(yīng)用于狹窄河谷面板堆石壩工程變形計(jì)算。

4 結(jié)論

廣義塑性模型對(duì)面板壩蓄水期的預(yù)測(cè)結(jié)果符合面板堆石壩的變形規(guī)律。采用廣義塑性模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近，豎向沉降變化規(guī)律基本一致；模型對(duì)壩體底部和中部預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)于壩體其他部位預(yù)測(cè)結(jié)果，廣義塑性模型計(jì)算結(jié)果可以基本反映堆石壩的變形情況，同樣可應(yīng)用于狹窄河谷面板堆石壩工程變形計(jì)算。

圖10 壩橫0-007.5m斷面測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量分布圖(cm)

圖11 壩橫0-007.5m斷面測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量與計(jì)算對(duì)比圖