積石峽面板堆石壩應力變形分析

洪 鏑，劉 超，張 嘎

（1.黃河上游水電開發有限責任公司工程建設分公司，青海 西寧 810000；2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

積石峽水電站面板堆石壩壩高103 m，主要由面板、墊層料、過渡料、主堆石和次堆石等構成，壩體分層均勻填筑至設計高程，填筑量約296萬m3。其中，堆石料主要采用了開挖料，巖性構成較為復雜，后期變形可能較大。壩體施工結束后再進行面板施工。壩體竣工以后蓄水至設計水位。因此，需要對該面板堆石壩的應力變形特性開展深入研究。本文采用三維有限元計算方法，基于積石峽面板堆石壩填筑過程中的沉降觀測資料進行反分析，得到了大壩堆石料的模型參數。在此基礎上，對大壩的應力變形特性進行了計算分析。

1 計算模型和參數

基于開挖料筑壩設計剖面圖和大壩地形條件，對面板堆石壩進行了三維有限元網格剖分。采用清華大學彈塑性損傷接觸面模型模擬壩體與基巖之間的接觸面；采用擠壓墻等效數值模型模擬大壩的擠壓墻[1]；接觸面模型參數均通過大型接觸面試驗加以確定?；炷撩姘宀捎镁€彈性模型，彈性模量為20 000 MPa，泊松比為0.167。墊層料、過渡料和堆石料采用清華大學混合料加載模型模擬[2]，并分別采用改進濕化模型[3]和沈珠江三參數流變模型[4]描述堆石料的濕化和流變特性。墊層料和過渡料的模型參數根據室內大型試驗確定。

2 參數反分析

堆石料的模型參數是在室內試驗基礎上，采用三維有限元計算模擬實際的填筑過程和蓄水過程，依據壩體在填筑過程中的變形監測結果反分析得出的。在參數反分析中，采用了如下變形分解并分別確定相關模型參數的思路：

（1）壩體填筑到1 857 m高程后至蓄水前沒有進行壩體填筑，面板的澆筑近似認為對壩體變形影響很小。因此，壩體發生的變形增量主要是流變變形。利用該段時間的變形反演得到堆石料的流變模型參數。

（2）根據施工期壩體變形監測值和計算得到的施工期流變值反分析，得到加載模型參數。

（3）根據2009年9月中旬由于蓄水預沉降措施引起的壩體變形，反演得到濕化模型參數。

作為反演結果的示例，圖1給出了電磁式沉降儀ES4部分監測點在壩體填筑過程中和填筑到1 857 m高程后的沉降監測值和計算值的對比時程曲線。其中，曲線是反演分析計算結果，散點是電磁式沉降儀實際監測值。從圖1可以看出，沉降計算值與監測值整體上符合較好。

圖1 ES4沉降管累計沉降量對比時程

圖2進一步給出了在不同的填筑高程時期，電磁式沉降儀ES4的沉降監測值和計算值沿壩體高程的分布曲線。圖中曲線是計算值，散點是沉降儀監測值。從圖2可以看出，沉降計算值與監測值整體規律符合較好，基本上都呈壩體上下部沉降小、中部沉降大的規律。壩體在填筑到1 857.8 m高程前，主要發生加載變形，壩體沉降不斷增大；填筑到1 857.8 m高程后，壩體繼續沉降，此階段主要發生流變。在2009年9月10日之后的一段時間內，壩體在蓄水預沉降措施下發生濕化變形，之后繼續發生流變變形并最終達到穩定。因此，本文使用的模型和參數反分析結果是有效的。

圖2 不同填筑高程下電磁式沉降管ES4沉降分布結果對比

3 大壩應力變形分析

圖3～6給出了蓄水完成后壩體和面板的應力變形等值線圖。由圖3～6可以看出，壩體的沉降最大值發生在中部，壩體內的應力水平總體較??；壩軸線上游部分壩體向上游方向發生水平位移，且越靠近壩體表面位移越大；壩軸線下游部分壩體向下游方向發生水平位移，同樣，越靠近下游壩表面其位移也越大。面板的撓度從壩底到壩頂逐漸增加，面板的順坡向應力在上部和下部分別表現為壓和拉。面板水平向壓應力的最大值出現在中部，而靠近兩側岸坡的面板處出現一定的拉應力。

圖3 蓄水完成時標準橫斷面位移等值線（單位：m）

圖4 蓄水完成時標準橫斷面應力水平等值線（單位：MPa）

圖5 蓄水完成時面板撓度等值線（單位：m）

圖7～10分別給出了蓄水500 d后計算得到的壩體和面板的應力變形等值線圖。與蓄水剛完成后相比，壩體的變形分布變化不大，但數值有所增大；面板的撓度明顯增加，應力有所增大。這表明流變引起壩體變形增大，但對其分布影響不大；流變導致面板的撓度明顯增加，應力有所增大。

4 結論

圖6 蓄水完成時面板應力等值線（單位：MPa）

圖7 蓄水500 d標準橫斷面位移等值線（單位：m）

圖8 蓄水500 d標準橫斷面應力水平等值線（單位：MPa）

圖9 蓄水500 d面板撓度等值線（單位：m）

本文采用三維有限元計算方法，基于填筑過程的沉降觀測資料進行反分析，得到大壩各類材料的模型參數；在此基礎上對積石峽水電站面板堆石壩蓄水期的應力變形特性進行了預測計算分析，得出的主要結論如下：

（1）反分析中監測值和計算值變化過程符合較好，說明計算模型及所得參數的有效性。

圖10 蓄水500 d面板應力等值線（單位：MPa）

（2）蓄水完成后，壩體的沉降最大值發生在中部，壩體內的應力水平總體較小。面板的撓度從壩底到壩頂逐漸增加，面板的順坡向應力在上部和下部分別表現為壓和拉。面板水平向壓應力的最大值出現在中部，而靠近兩側岸坡的面板處出現一定的拉應力。

（3）流變引起壩體變形增大，但對其分布影響不大。流變導致面板的撓度明顯增加，應力有所增大。

［1］張建民，張嘎，劉芳.面板堆石壩擠壓式邊墻的概化數值模型及應用［J］.巖土工程學報，2005，27（3）:249-253.

［2］Zhang Ga,Zhang Jianmin,Yu Yilin.Modeling of gravelly soil with multiple lithologic components and its application ［J］.Soils and Foundations,2007,47（4）:799-810.

［3］王富強，鄭瑞華，張嘎，等.積石峽面板堆石壩濕化變形分析［J］.水力發電學報，2009，28（2）:56-60.

［4］沈珠江.土石料的流變模型及其應用析［J］.水利水運科學研究,1994（4）:335-342.