积石峡面板堆石坝应力变形分析

洪 镝，刘 超，张 嘎

（1.黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海 西宁 810000；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

积石峡水电站面板堆石坝坝高103 m，主要由面板、垫层料、过渡料、主堆石和次堆石等构成，坝体分层均匀填筑至设计高程，填筑量约296万m3。其中，堆石料主要采用了开挖料，岩性构成较为复杂，后期变形可能较大。坝体施工结束后再进行面板施工。坝体竣工以后蓄水至设计水位。因此，需要对该面板堆石坝的应力变形特性开展深入研究。本文采用三维有限元计算方法，基于积石峡面板堆石坝填筑过程中的沉降观测资料进行反分析，得到了大坝堆石料的模型参数。在此基础上，对大坝的应力变形特性进行了计算分析。

1 计算模型和参数

基于开挖料筑坝设计剖面图和大坝地形条件，对面板堆石坝进行了三维有限元网格剖分。采用清华大学弹塑性损伤接触面模型模拟坝体与基岩之间的接触面；采用挤压墙等效数值模型模拟大坝的挤压墙[1]；接触面模型参数均通过大型接触面试验加以确定。混凝土面板采用线弹性模型，弹性模量为20 000 MPa，泊松比为0.167。垫层料、过渡料和堆石料采用清华大学混合料加载模型模拟[2]，并分别采用改进湿化模型[3]和沈珠江三参数流变模型[4]描述堆石料的湿化和流变特性。垫层料和过渡料的模型参数根据室内大型试验确定。

2 参数反分析

堆石料的模型参数是在室内试验基础上，采用三维有限元计算模拟实际的填筑过程和蓄水过程，依据坝体在填筑过程中的变形监测结果反分析得出的。在参数反分析中，采用了如下变形分解并分别确定相关模型参数的思路：

（1）坝体填筑到1 857 m高程后至蓄水前没有进行坝体填筑，面板的浇筑近似认为对坝体变形影响很小。因此，坝体发生的变形增量主要是流变变形。利用该段时间的变形反演得到堆石料的流变模型参数。

（2）根据施工期坝体变形监测值和计算得到的施工期流变值反分析，得到加载模型参数。

（3）根据2009年9月中旬由于蓄水预沉降措施引起的坝体变形，反演得到湿化模型参数。

作为反演结果的示例，图1给出了电磁式沉降仪ES4部分监测点在坝体填筑过程中和填筑到1 857 m高程后的沉降监测值和计算值的对比时程曲线。其中，曲线是反演分析计算结果，散点是电磁式沉降仪实际监测值。从图1可以看出，沉降计算值与监测值整体上符合较好。

图1 ES4沉降管累计沉降量对比时程

图2进一步给出了在不同的填筑高程时期，电磁式沉降仪ES4的沉降监测值和计算值沿坝体高程的分布曲线。图中曲线是计算值，散点是沉降仪监测值。从图2可以看出，沉降计算值与监测值整体规律符合较好，基本上都呈坝体上下部沉降小、中部沉降大的规律。坝体在填筑到1 857.8 m高程前，主要发生加载变形，坝体沉降不断增大；填筑到1 857.8 m高程后，坝体继续沉降，此阶段主要发生流变。在2009年9月10日之后的一段时间内，坝体在蓄水预沉降措施下发生湿化变形，之后继续发生流变变形并最终达到稳定。因此，本文使用的模型和参数反分析结果是有效的。

图2 不同填筑高程下电磁式沉降管ES4沉降分布结果对比

3 大坝应力变形分析

图3～6给出了蓄水完成后坝体和面板的应力变形等值线图。由图3～6可以看出，坝体的沉降最大值发生在中部，坝体内的应力水平总体较小；坝轴线上游部分坝体向上游方向发生水平位移，且越靠近坝体表面位移越大；坝轴线下游部分坝体向下游方向发生水平位移，同样，越靠近下游坝表面其位移也越大。面板的挠度从坝底到坝顶逐渐增加，面板的顺坡向应力在上部和下部分别表现为压和拉。面板水平向压应力的最大值出现在中部，而靠近两侧岸坡的面板处出现一定的拉应力。

图3 蓄水完成时标准横断面位移等值线（单位：m）

图4 蓄水完成时标准横断面应力水平等值线（单位：MPa）

图5 蓄水完成时面板挠度等值线（单位：m）

图7～10分别给出了蓄水500 d后计算得到的坝体和面板的应力变形等值线图。与蓄水刚完成后相比，坝体的变形分布变化不大，但数值有所增大；面板的挠度明显增加，应力有所增大。这表明流变引起坝体变形增大，但对其分布影响不大；流变导致面板的挠度明显增加，应力有所增大。

4 结论

图6 蓄水完成时面板应力等值线（单位：MPa）

图7 蓄水500 d标准横断面位移等值线（单位：m）

图8 蓄水500 d标准横断面应力水平等值线（单位：MPa）

图9 蓄水500 d面板挠度等值线（单位：m）

本文采用三维有限元计算方法，基于填筑过程的沉降观测资料进行反分析，得到大坝各类材料的模型参数；在此基础上对积石峡水电站面板堆石坝蓄水期的应力变形特性进行了预测计算分析，得出的主要结论如下：

（1）反分析中监测值和计算值变化过程符合较好，说明计算模型及所得参数的有效性。

图10 蓄水500 d面板应力等值线（单位：MPa）

（2）蓄水完成后，坝体的沉降最大值发生在中部，坝体内的应力水平总体较小。面板的挠度从坝底到坝顶逐渐增加，面板的顺坡向应力在上部和下部分别表现为压和拉。面板水平向压应力的最大值出现在中部，而靠近两侧岸坡的面板处出现一定的拉应力。

（3）流变引起坝体变形增大，但对其分布影响不大。流变导致面板的挠度明显增加，应力有所增大。

［1］张建民，张嘎，刘芳.面板堆石坝挤压式边墙的概化数值模型及应用［J］.岩土工程学报，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］王富强，郑瑞华，张嘎，等.积石峡面板堆石坝湿化变形分析［J］.水力发电学报，2009，28（2）:56-60.

［4］沈珠江.土石料的流变模型及其应用析［J］.水利水运科学研究,1994（4）:335-342.