基于軟巖料填筑的面板堆石壩應力變形分析研究

郝英澤

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司， 哈爾濱 150080)

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基于軟巖料填筑的面板堆石壩應力變形分析研究

郝英澤

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司， 哈爾濱 150080)

隨著國內外面板堆石壩筑壩技術的不斷成熟，在面對各種復雜的地質條件及筑壩材料的多樣性上的不斷發展。目前，基于軟巖料的筑壩技術也不斷在走向成熟，漸已成為更多壩型的選取材料。我國幅員遼闊，地震帶諸多，使得許多大壩不得不建在強震高發區，故基于軟巖料填筑的面板堆石壩的控制設計中的抗震版塊顯得極為重要。文章采用三維有限元數值模擬，結合面板堆石壩筑壩材料的靜力計算本構模型，在實際水利樞紐工程的基礎上對基于軟巖料填筑的面板堆石壩進行三維有限元分析，并將所得結論與工程實測數據進行對比驗證數值模擬分析的可行性，計算得出的結論及成果對類似工程的控制設計具有一定的指導意義。

軟巖料填筑；面板堆石壩；應力變形

0 前 言

結合國內外在建和已建的面板堆石壩的筑壩材料分析，實際工程因地制宜，筑壩材料選擇范圍較廣。土石壩設計的最大特點是充分利用壩區的工程材料，最大程度上的縮短工期和減少運距[1]。軟巖料一般分布較廣，便于就地取材。開采難度低，這種材料的應用對壩體建設的作用越來越重要。為更加提高軟巖料筑壩的技術水平，進一步改進施工方法，多家科研院所聯合國內企業成立課題進行深入研究，現已取得了不錯的成果。但工程地質條件的復雜性、壩高增加的難度性筑壩材料的多樣性等方面問題，相關理論研究與試驗研究的不斷深入愈發重要。目前國內外在利用軟巖料筑壩方面，已建的面板堆石壩諸多，工程建設經驗不斷得到豐富，但一些關鍵問題的認識急需深入研究，且軟巖料的應用研究還將進一步拓展。

1 軟巖料工程特性分析

《混凝土面板堆石壩設計規范》(SL228—98)定義母巖的飽和抗壓強度以30MPa作為軟、硬巖的區分標準，具有代表性的巖石有頁巖、千枚巖等?；谲泿r料進行壩體填筑時，要進行相關的試驗研究，對此種材料的工程特性進行全面了解。軟巖料的工程特性主要為礦物成分、級配、壓實性、壓縮性、滲透性、強度等。軟巖料一般礦物顆粒都極細小，硬度低的特點，在眾多軟巖中力學性質較為靈敏。軟巖料的軟化系數小，級配可變性較大，受外界環境因素影響較大。壓實性和壓縮性能與土體較為相似，存在最大干密度和最優含水率[2]，壓實密度高，力學特性穩定。軟巖堆石料能達到較高的壓縮模量，滿足筑壩的技術要求。它的滲透性主要受壓實密度及細粒含量的影響，其滲透系數k變化范圍較寬，但壓實后滲透系數一般都較小[3]。

2 堆石料本構模型

2.1 非線性彈性模型

非線性彈性模型[4]是廣義虎克定律的推廣和延伸，材料的非線性特性基于變化的彈性常數來進行反映。文章采用的是鄧肯E-B模型。

鄧肯E-B模型是以切線彈性模量Et和切線體積模量Bt為計算參數。計算公式為：

(1)

式中：m為體積模量指數；Kb為體積模量基數。

模型還考慮粗粒料內摩擦角φd與圍壓σ3的變化關系，表達式為：

(2)

式中：φ0-σ3為單位大氣壓的φd值。

鄧肯E-B模型是在非線性彈性模型中應用較廣，其特點是模型參數較少且數據來源通過試驗確定，簡單易行等優點，是三維有限元計算分析中常采用的本構模型的典型代表。

2.2 面板和墊層間的接觸面的有限元模型

為了更好地模擬面板與堆石料間的物理形態，有限元計算中在二者之間設置接觸面單元。文章采用無厚度Goodman接觸面單元。其切向勁度表達式為：

(3)

式中：n為模量指數；τ為接觸面方向的剪應力；σn為法向應力；φ為摩擦角；Rf為破壞比。

法向勁度的確定：接觸面受壓、拉時，分別取值取1.0×105MPa/m，1MPa/m。X、Z方向的剪切勁度計算公式為：

(4)

相應方向的勁度系數通過試驗確定。

3 工程概況

某水利樞紐工程主要以地區供水和下游灌溉為主，兼有發電、防洪等功效。工程等級為Ⅰ等大(1)型工程?？値烊?0.45億m3，電站總裝機67萬kW，壩頂高程為890m，最大壩高150m，正常蓄水位為880.0m。大壩主要由壩體、電站廠房、溢洪道和引水發電隧洞組成。壩體分區共分為7個區域[5]，具體分區的混凝土面板堆石壩標準剖面圖見圖1。

圖1 面板堆石壩標準剖面圖

3.1 材料計算參數

該工程各分區材料計算參數的具體取值見表1[6]。

3.2 有限元模型

有限元模型計算區域的選?。貉貕屋S線向上、下游分別取150m,豎直方向取150m。計算坐標系為：X軸為水流方向，向下游為正；Y軸為壩軸線方向，向左為正；Z軸為豎直方向，向上為正。計算模型劃分采用八結點六面體等參單元，局部采用四結點四面體單元來填充，共得到單元有14880個，節點有17065個[7]。計算工況分為兩種：竣工期和蓄水期，分別研究壩體在不同工況下的應力變形。有限元模型見圖2。

表1 壩體各分區材料鄧肯E-B模型參數表

圖2 大壩三維有限元計算模型

3.3 計算結果

壩體應力變形應力符號定義為：以拉應力為正，壓應力為負。位移符號定義為：壩體水平指向下游為正，豎直方向向上為正，壩軸線方向指向右岸為正。

1)竣工期應力變形見圖3-7所示。

圖3 竣工期壩體標準剖面垂直位移等值線圖

圖4 竣工期壩體標準剖面水平位移等值線圖

圖5 竣工期壩體標準剖面大主應力等值線圖

圖6 竣工期壩體標準剖面小主應力等值線圖

圖7 竣工期壩軸線方向位移等值線圖

通過計算結果可知：竣工期壩體最大沉降為1.054m，在壩高約1/2處的次堆石區域內，通過對比研究發現壩體不同分區的軟巖料和硬巖料填筑的壩體最大沉降值相比相差較大[8]。證明軟巖料受力區域較大，故壩體的最大沉降值相比較大。

竣工期壩體上、下游最大水平位移0.223m和0.252m。從圖中可以看出硬巖料填筑部位水平位移分布比較對稱，而軟巖料填筑的區域水平位移分布較不對稱，分析因為軟巖料分布區域較大，故最大水平位移相比較高。

竣工期壩體大、小主應力最值發生在大壩底部，均為壓應力，最值為2970.25 KPa和1002.15。次堆石區軟巖料填筑的壩體的大主應力、小主應力均比硬巖料填筑的部位數值增大。

竣工期壩體沿壩軸線方向左、右岸最大位移為0.1280和0.1282m。同時次堆石區采用軟巖料填筑的壩體最大位移也均比硬巖料填筑的部位數值大。

2)蓄水期壩體的變形及應力見圖8-12所示。

圖8 蓄水期壩體標準剖面垂直位移等值線圖

圖9 蓄水期壩體標準剖面水平位移等值線圖

圖11 蓄水期壩體標準剖面小主應力等值線圖

圖12 蓄水期壩軸線方向位移變化等值線圖

由計算結果圖示可知，蓄水期壩體最大沉降發生在壩高月1/2處，最大值為1.192m，相比竣工期的計算結果在蓄水期，壩體在靜水壓力作用下的位移變化分布略微增大，但數值相差不大。同時采用軟巖料填筑的壩體豎直位移相對均有增大的趨勢。

蓄水期壩體水平位移上、下游的最大水平位移0.204m和0.246m，和竣工期的相比可以得出，蓄水后壩體上游水平位移有所減小，下游水平位移相差不大。采用軟巖料填筑的壩體區域順河向水平位移最大值均明顯增大。

蓄水期壩體大、小主應力的等值線分布圖中分布規律和竣工期相比基本一致，但從數值分析均有所增大。壩體大、小主應力的最值均發生在壩體底部，為3999.15 KPa 和1296.25 KPa，均位于壩體底部。次堆石區采用軟巖料填筑的壩體最大剖面大、小主應力值相對較大。

蓄水期壩體沿壩軸線方向左、右岸最大位移0.1270和0.1275m。次堆石區采用軟巖料填筑的壩體位移最大值相比硬巖廖填筑區較大。通過蓄水期的壩體應力變形結果表明在壩體自重和靜水壓力共同作用下最不利的位置在正常蓄水位處。

4 結 論

文章在對軟巖料的工程特性進行分析總結，并結合工程實例，結合壩體材料混凝土面板、接觸面、趾板、主堆石區和次堆石區的本構模型，對基于軟巖料填筑的面板堆石壩進行靜力有限元數值仿真計算，分析研究軟巖料填筑面板堆石壩的在不同工況下的應力應變。計算結果顯示，壩體的主要位移發生在竣工期，采用軟、硬巖料不同分區材料填筑的壩體最大沉降值相比差距較大，軟巖料區域利用范圍增加，最大沉降值也相應增大，壩體的水平位移和最大沉降均符合設計要求，與工程實測資料相比有限元計算結果均在合理范圍內。文章的研究成果在對基于軟巖料填筑的面板堆石壩中有一定的指導意義和參考價值。

[1]中華人民共和國水利部.SL228-98混凝土面板堆石壩設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[2]蔣國澄,傅志安,鳳家驥.混凝土面板壩工程[M].武漢:湖北科學技術出版社,1997：21-48.

[3]付軍,周小文.面板壩軟巖料的工程特性[J].長江科學院院報，2008，25(04)：67-72.

[4]中華人民共和國水利部.SL228-98混凝土面板堆石壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2003.

[5]單宏偉.高面板堆石壩模型參數反演及應力變形分析[D].北京:清華大學,2008.

[6]羅先啟，葛修潤.混凝土面板堆石壩應力應變分析方法研究[M].北京：中國水利水電出版社，2007：15-39.

[7]顧淦臣,黃金明.混凝土面板堆石壩本構模型與應力變形分析[J].水力發電學報,1991(01):12-24.

[8]蔣國澄.中國混凝土面板堆石壩20年[M].北京:中國水利水電出版社,2005:542.

Analysis and Study on Slab Rock-fill Dam Stress Deformation based on Soft Rock Material Filling

HAO Ying-ze

(Heilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Engineering Limited Company, Harbin 150080, China)

With gradual ripeness of domestic and foreign damming technology for slab rock fill dam,variability facing to all kinds of complex geological conditions and damming materials is developed constantly. At present, the damming technology of soft rock material also turns to mature constantly and becomes material selected for more dam types. China is vast in territory with many seismic zones, which causes many dams to be constructed in high incidence area of strong earthquake, therefore, the earthquake resistance section is vital important in control design of facing rock fill dam based on soft rock material filling. In this paper, three-dimensional finite elements were adopted, in combination with the static force calculation model of slab rock-fill damming material, the three-dimensional finite element was analyzed for slab rock-fill dam with soft rock material filling based on actual hydraulic key project, and the conclusion was compared with observed project data to verify the feasibility of valuable simulation analysis, meanwhile, the results calculated and achievements is very meaningful for the control design of similar projects.

filling of soft rock material;slab rock-fill dam; stress deformation

1007-7596(2017)05-0027-05

2017-04-12

郝英澤(1987-)，男，黑龍江甘南人，助理工程師。

TV421

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