皮玉紅

(銅仁市萬山區(qū)水務(wù)局，貴州 銅仁 554200)

1 項(xiàng)目背景

混凝土面板堆石壩因?qū)Ω黝惢A(chǔ)適應(yīng)性強(qiáng)、就近取材和造價(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛運(yùn)用于水利工程中，本文針對(duì)大壩填筑過程中平行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)填筑料級(jí)配指標(biāo)與混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范及技術(shù)要求不完全相符，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壩體堆石區(qū)、過渡區(qū)和墊層區(qū)不同位置布置了多組物理力學(xué)試驗(yàn)，再根據(jù)試驗(yàn)力學(xué)指標(biāo)對(duì)大壩應(yīng)力變形進(jìn)行三維有限元計(jì)算，并通過在流變效應(yīng)2種工況下進(jìn)行壩體和面板應(yīng)力變形的不同結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為后期面板垂直壓性縫的縫寬設(shè)置提供依據(jù)，對(duì)有效預(yù)防面板開裂起到至關(guān)重要作用，可供同類工程借鑒。

2 壩體填筑質(zhì)量分析

2.1 試驗(yàn)布置

白泥水庫(kù)位于貴州省松桃縣大溝河上，總庫(kù)容218萬m3，屬Ⅳ等小(1)型水庫(kù)工程。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高52m，上下游壩坡均為1∶1.4，壩體填筑量52萬m3。大壩填筑至高程481m時(shí)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)理方質(zhì)量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)筑壩材料存在級(jí)配不均勻、碾壓后易破碎等不利情況。

為了對(duì)壩體填筑質(zhì)量進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，依據(jù)SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，在壩體現(xiàn)場(chǎng)共布置了9組試驗(yàn)，其中堆石區(qū)、過渡區(qū)和墊層區(qū)在481m高程處各布置2組試驗(yàn)；下游馬道處只考慮堆石區(qū)，分別在476、463、450m高程處布置3組試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)密度、滲透系數(shù)及孔隙率進(jìn)行試驗(yàn)，其成果見表1，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足SL 228—2013《混凝面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

表1 現(xiàn)場(chǎng)密度、滲透系數(shù)、及孔隙率試驗(yàn)成果表

按照SL 228—2013和設(shè)計(jì)技術(shù)要求，顆粒級(jí)配分析試驗(yàn)成果結(jié)論如下：

(1)堆石料實(shí)測(cè)最大粒徑600mm，最大粒徑滿足要求；粒徑300～600mm含量偏少，粒徑10～100mm含量偏多。

(2)過渡料級(jí)配良好，級(jí)配較連續(xù)，最大粒徑未超過300mm，滿足規(guī)范要求。

(3)墊層料級(jí)配連續(xù)，小于5mm粒徑顆粒含量32.0%～33.5%，小于規(guī)范要求的35%～55%；小于0.075mm含量2.8%～3.4%，小于規(guī)范要求的4%～8%。

(4)堆石區(qū)、墊層區(qū)和過渡區(qū)滲透系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 大壩應(yīng)力三維有限元分析

3.1 基本理論與方法

仿真分析中所用到的計(jì)算模型有2種，其中靜力部分采用堆石料鄧肯E-B本構(gòu)模型，流變部分采用南科院七參數(shù)流變模型，接觸模擬主要設(shè)置在面板與面板之間，面板與趾板之間，面板與墊層之間，采用摩擦接觸來模擬。

堆石料是一種非線性材料，具有各向異性、剪脹(縮)性和壓硬性等特征，由于面板附著在堆石體上游面，因此堆石體的應(yīng)力變形直接影響面板、接縫的應(yīng)力變形，而面板、接縫能否正常發(fā)揮作用則是保證面板堆石壩安全運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)高面板堆石壩尤其重要。因此必須采用合適的本構(gòu)模型來模擬堆石料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，而鄧肯E-B模型能較好地反映堆石材料的變形特征，并且模型的計(jì)算參數(shù)獲得比較簡(jiǎn)單，因此本次計(jì)算采用鄧肯E-B模型。

3.2 面板堆石壩應(yīng)力變形分析

3.2.1E-B模型計(jì)算參數(shù)

混凝土材料采用線彈性材料參數(shù)，混凝土面板為厚度0.4m的等厚面板，距10m或8m設(shè)一條垂直縫，趾板厚度和寬度分別為0.5m和5m，面板和趾板混凝土容重取25kN/m3，均采用C25混凝土，彈性模量為28GPa，泊松比0.167，堆石料、過渡料、墊層料計(jì)算所用參數(shù)通過做大型靜力三軸試驗(yàn)獲得，其結(jié)果見表2。

表2 E-B模型參數(shù)

壩體分區(qū)為：混凝土面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)和堆砌石區(qū)，堆石體本構(gòu)模型采用鄧肯E-B模型，堆石體材料分區(qū)如圖1所示。

圖1 堆石體材料分區(qū)

3.2.2七參數(shù)流變本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算考慮流變，堆石料流變參數(shù)采用七參數(shù)流變本構(gòu)模型參數(shù)值，見表3。

表3 七參數(shù)流變本構(gòu)模型參數(shù)

3.2.3計(jì)算模型

在堆石壩應(yīng)力、變形仿真計(jì)算中，堆石體的本構(gòu)關(guān)系采用鄧肯E-B模型，混凝土面板視為線彈性體，面板與墊層之間的接觸面、面板豎縫以及周邊縫的模擬采用三維非線性面-面摩擦接觸單元。

面板壩共離散為37148個(gè)單元，49932個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要采用8結(jié)點(diǎn)6面體單元，為適應(yīng)邊界過渡，采用部分棱柱體單元，白泥水庫(kù)面板堆石壩三維有限元計(jì)算模型及壩體材料分區(qū)示意如圖2所示。壩體部分單元大小為2.5m左右，面板部分單元長(zhǎng)邊為1m左右，沿厚度方向分為3層建模。

圖2 三維有限元模型

3.2.4壩體計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)理論方法和建模計(jì)算，在不考慮流變效應(yīng)和考慮流變效應(yīng)2種計(jì)算工況下，最大斷面壩體應(yīng)力和變形極值見表4。其位移及應(yīng)力的正負(fù)號(hào)規(guī)定：壩體豎向位移以向下為正，水平位移以指向下游為正；壩體應(yīng)力以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。

結(jié)論分析：從表4和圖3—8可知，不考慮流變效應(yīng)與考慮流變效應(yīng)2種工況下壩體位移、沉降和應(yīng)力值總體相差不大，總體上考慮流變特性后位移、沉降、應(yīng)力值增大；對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄，大壩沉降值與考慮流變效應(yīng)工況更加接近，符合面板壩的一般規(guī)律。

圖3 不考慮流變效應(yīng)的竣工期壩體水平位移圖(單位：cm)

圖4 考慮流變效應(yīng)的竣工期壩體水平位移圖(單位：cm)

圖5 不考慮流變效應(yīng)的蓄水期壩體沉降圖(單位：cm)

圖6 考慮流變效應(yīng)的蓄水期壩體沉降圖(單位：cm)

圖7 不考慮流變效應(yīng)的蓄水期壩體大主應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖8 考慮流變效應(yīng)的蓄水期壩體小主應(yīng)力圖(單位：MPa)

表4 壩體應(yīng)力和變形極值

(1)竣工期壩體水平向上游位移值基本一樣，其位移最大值1.86cm；在蓄水期和穩(wěn)定期，考慮流變后，壩體向上游位移減小，向下游位于增大；最大值2.04cm，發(fā)生在穩(wěn)定期。施工期壩體水平位移以壩軸線為界，呈對(duì)稱分布，由于壩體自重，使得上游側(cè)壩體向上游移動(dòng)，靠下游壩體向下游移動(dòng)。

(2)考慮流變效應(yīng)情況下穩(wěn)定期，在壩體中間，位于1/2壩高處發(fā)生最大沉降，其最大值為9.49cm，約占?jí)胃?.2%，遠(yuǎn)低于規(guī)范值。

(3)壩體最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力發(fā)生在蓄水期，其最大值0.74MPa，最小值0.29MPa。

3.2.5面板計(jì)算結(jié)果及分析

在不考慮流變效應(yīng)和考慮流變效應(yīng)2種工況下，面板應(yīng)力和變形極值見表5。面板變形和應(yīng)力如圖9—12所示。

表5 面板應(yīng)力和變形極值

通過圖9—12看出，在不考慮流變效應(yīng)和考慮流變效應(yīng)2種工況下，面板最大撓度均發(fā)生在河床中間面板1/3～1/2壩高處；面板軸向位移呈現(xiàn)兩岸向中間移動(dòng)趨勢(shì)；面板軸向應(yīng)力和面板順坡向應(yīng)力發(fā)生在中間面板1/3壩高處，其數(shù)值呈現(xiàn)兩岸低中間高，但均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

圖11 不考慮流變效應(yīng)的蓄水期面板應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖12 考慮流變效應(yīng)的蓄水期面板應(yīng)力圖(單位：MPa)

4 結(jié)論

白泥水庫(kù)工程已經(jīng)正常蓄水運(yùn)行2年，充分驗(yàn)證了白云巖完全可以選作面板堆石壩的填筑材料，建議在設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)注意以下問題：

(1)在壩體填筑過程中控制填料級(jí)配，加大堆石區(qū)大粒徑填料含量，簡(jiǎn)易分選；

(2)壩體填筑完成后，預(yù)沉降6個(gè)月或待壩體沉降速率小于5mm/月后低溫季節(jié)再澆筑面板，且面板壓性垂直縫的縫寬必須大于8mm，避免面板發(fā)生擠壓破壞。