混凝土面板堆石坝静力分析

苏 丹

（槐荫黄河河务局，山东 济南 250118）

静力有限元分析可以得到坝体各部分的应力和应变数据，为面板堆石坝的静力分析提供依据。有限元数值计算的核心是确定坝体的应力—应变关系，即本构关系。坝体的本构关系受诸多因素影响，如成坝过程、颗粒组成、含水量、天然应力场、应力历史、密度、应力路径等，另外还与坝体的工作条件有关系。要正确、全面地反映坝体的本构关系是十分困难的，只有通过对试验资料合理的模拟，建立出能够简单反映坝体主要特性的数学模型，才能获得更有价值的数据。本文主要借助数值模型对渡口水电站工程面板堆石坝进行仿真数值模拟，以期得到有益的理论成果来指导工程设计。

1 应力应变有限元分析方法

计算采用三维总应力有限元分析方法。其中，堆石体静力计算模型采用Duncan E-B模型或沈珠江院士提出的南水双屈服面弹塑性模型，混凝土结构采用线弹性模型。面板与垫层、趾板与地基、连接板与地基、防渗墙与地基之间采用无厚度接触面单元模拟接触特性。趾板与连接板、连接板与防渗墙、面板与防浪墙间的接缝采用薄层单元模拟填缝材料的影响，缝中的木板采用线弹性模型模拟，木板两侧与混凝土接触用分离缝模拟。面板垂直缝采用分离缝模型模拟，面板周边缝采用连接单元模拟。

1.1 计算参数

筑坝材料的应力应变分析计算参数由其大三轴试验结果确定，计算时各参数取平均值，详见表1。薄层单元参数也参考其他工程并结合工程经验进行取值。混凝土面板与垫层料之间的接触面模型参数参照类似工程试验结果取值：K1为4 800，n为0.56，Rf为 0.74，δ取 36.6°。

1.2 计算模拟

岩土材料的应力变形特性不仅与其所受的荷载有关，而且与所经受的应力路径密切相关，因此，在进行坝体应力变形分析时必须严格按照设计提供的施工程序（坝体填筑、混凝土浇筑、蓄水等过程）进行模拟。

计算时，参照设计单位提供的混凝土面板堆石坝施工安排，模拟大坝的施工顺序和水库蓄水过程。具体计算模拟顺序分别为：覆盖层→防渗墙浇筑→趾板和高趾墙浇筑→坝体填筑至防浪墙底高程1 086.50 m→面板浇筑→连接板浇筑→防浪墙浇筑及坝体填筑至坝顶1 090.0 m→蓄水至正常蓄水位1 086.0 m。

三维有限元网格剖分时，切取横剖面39个，其中沿面板分缝29个剖面。空间单元采用8节点六面体等单元，为适应坝体边界条件的变化，边界部分退化为三棱体或四面体单元。单元编号根据坝体施工顺序进行。共划分单元7 550个，结点9 377个。

计算时所取的基础范围为：上、下游方向自坝脚各向外延伸1倍坝高，向下深度取至基岩面下1 m。划分网格时，防渗墙顺河向剖分3排单元，面板剖分1排单元。防渗墙与河床冲积层间设置3 cm厚泥皮薄层单元，防渗墙底部设置15 cm厚的沉渣单元。

有限元计算时，边界条件规定如下：轴向与顺河向两侧边界只有垂直变形，无水平位移；基底为固定边界，无位移。

2 应力应变有限元分析结果

2.1 基本方案计算结果

根据工程坝址区河床覆盖层工程特性和前阶段有限元研究成果，河床趾板附近基础采取灌浆工程措施进行加固处理。由于坝址区覆盖层工程地质条件以及灌浆施工技术等因素，砂砾卵石层灌浆加固效果有一定的不确定性，从偏安全的角度考虑，以注浆处理后的砂砾卵石层模量系数达到1 200为灌浆体基本参数（详见表1），进行计算分析。

2.2 坝体应力变形

选取河床最大横剖面做为典型剖面进行坝体应力变形结果整理。

竣工期：该剖面最大沉降为34.3 cm，位于坝轴线1/2坝高附近。上游坝体水平位移指向上游，下游坝体水平位移指向下游，上游向水平位移最大值为10.8 cm，下游向水平位移最大值为7.9 cm。

蓄水期：最大沉降为37.4 cm，位于坝轴线1/2坝高附近。在库水压力作用下，上游向水平位移最大值减小为4.1 cm，下游向水平位移最大值增至9.8 cm。

竣工期与蓄水期坝内大、小主应力最大值分别为 1.62 MPa，0.59 MPa；1.74 MPa，0.73 MPa。

竣工期和蓄水期：坝体内应力水平较低，蓄水期由于水荷载作用，坝体上游部位应力水平有所减小。

表1 静力计算参数

3 结语

本项目采用有限元方法对面板堆石坝的应力变形特性进行了分析计算。坝体和混凝土防渗结构的应力变形性状，以及止水接缝的变形性状较好，可以满足大坝安全运行的需要，综合各项计算成果，可以得出如下结论与建议：

1）基本方案南水模型计算结果表明，坝体应力与变形规律正常，量值在面板坝正常变形范围内，蓄水期坝体最大沉降37.4 cm，发生在河床最大剖面坝轴线1/2坝高位置，沉降率约为0.35%。坝内应力水平不高，不会发生塑性破坏。

2）Duncan E-B模型与南水模型计算得到的坝体变形、混凝土防渗结构的应力有较大差别，E-B模型计算结果要比南水模型高。E-B模型计算出的坝体最大沉降为46.3 cm，约为坝高的0.44%，变形在面板坝正常变形范围内。