中厚覆盖层上中低面板堆石坝变形特性有限元分析

陈 飘邓成发刘正国

（1.浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心 浙江杭州 310012；2.浙江广川工程咨询有限公司 浙江杭州 310012；3.浙江省水利河口研究院 浙江杭州 310012)

中厚覆盖层上中低面板堆石坝变形特性有限元分析

陈 飘1邓成发2刘正国3

（1.浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心 浙江杭州 310012；2.浙江广川工程咨询有限公司 浙江杭州 310012；3.浙江省水利河口研究院 浙江杭州 310012)

针对应用更为广泛的中厚覆盖层上中低面板堆石坝变形特性进行了有限元分析，研究了面板堆石坝竣工期及蓄水期的堆石体及面板的变形特性，计算结果表明：相比于竣工期，蓄水期坝体最大竖向位移，向下游的水平位移，大坝大、小主应力及应力水平均有所增加，其中以大坝水平位移增加最为明显，约增加1倍左右，竖向位移增加幅度约为8%，大、小主应力增加10%～20%，应力水平增加约50%。

有限元 面板堆石坝 覆盖层 挠度

引言

面板堆石坝由于其安全性、经济性及适应性良好等特点，深受坝工界的青睐，经常成为首先的比选坝型。据不完全统计，到2011年底中国已建成、在建和拟建的混凝土面板堆石坝已达305 座，其中坝高100 m 及以上的高混凝土面板堆石坝有94 座，高坝中已建成48 座，在建20 座，拟建26 座。这些面板坝的建设为国民经济的发展起到了积极的推动作用，带来了巨大的经济效益和社会效益，同时也积累了丰富的设计、施工和运行的实践经验，受到国际同行们的重视和关注。

在诸多已建或在建的面板堆石坝中有相当一部分是在覆盖层上直接建造。甘肃的九甸峡混凝土面板堆石坝是目前已经建成的最高的深覆盖层上的混凝土面板堆石坝， 坝高136m，覆盖层最大厚度56m，一些建基于深厚覆盖层上的200m 级高坝也正在建设或设计中。对于在深厚覆盖层上建坝，国内广大科研院所进行了较为深入的研究。郭兴文对覆盖层地基上的面板堆石坝的结构进行了优化设计研究。沈婷对混凝土趾板和基础的连接方式进行了深入研究。徐泽平对深厚覆盖层上的面板堆石坝进行了离心模型试验研究。赵一新、王文娇对深厚覆盖层上的面板堆石坝进行了动力特性有限元分析。

本文就应用更为广泛的中厚覆盖层上中低面板堆石坝变形特性进行了有限元分析，研究了面板堆石坝竣工期及蓄水期的堆石体及面板的变形特性，为同类工程提供参考。

1 工程概况15

双溪口水库坝址位于余姚市姚江支流大隐溪上，距余姚城区22km、宁波市区17km，是以供水、防洪为主，结合灌溉、发电等功能的二等综合水利工程。水库集水面积40.01km2，总库容3398万m3，水库正常蓄水位65.30m（国家85高程，下同），设计洪水标准为100年一遇，相应洪水位为68.04m，校核洪水标准为2000年一遇，相应洪水位为70.00m。大坝坝型为混凝土面板堆石坝，坝顶高程为70.00m，防浪墙顶高程71.20m，最大坝高52.10m，坝顶宽6.9m，长426.0m，大坝上、下游坡坡比分别为1：1.4、1：1.3，在下游23.0m、39.0m、54.0m高程处，设置三级3.0m宽的马道。坝基覆盖层主要为砂砾（卵）石层，最大厚度为15.4m。

图1 二维整体网格

2 二维静力非线性有限元计算分析

2.1 二维计算几何模型

根据坝趾区地质条件和坝体分区特点，除河床砂砾石覆盖层和岸坡强风化基岩参与结构计算外，地基按刚性考虑。以河床典型剖面（坝0+192.0m）为基准，采用二维自动剖分程序剖分坝体单元。平面有限元计算坝体单元划分为四边形四结点单元和少量过渡的三角形单元。将坝体断面剖分单元总数为472个，其中面板与垫层间设置接触面单元为15个，结点总数为507个，剖分后的计算网格见图1。

2.2 计算参数

各主要材料分区的邓肯E-B本构模型参数见表1。混凝土面板、趾板及防渗墙采用线弹性模型，混凝土面板、趾板参数指标：密度2.45g/cm3，弹性模量20GPa，泊松比0.167；防渗墙指标：密度2.4g/cm3，弹性模量20GPa，泊松比0.167。

表1 筑坝材料E—B模型参数

3 计算成果分析

0+192m计算剖面的竣工期及蓄水期水平位移、垂直位移、大小主应力及应力水平的等值线图分别见图2～6、图8～12。竣工期及蓄水期位移矢量图见图7、图13。

图2 竣工期水平位移等值线图(cm)

图3 竣工期垂直位移等值线图(cm)

图4 竣工期大主应力等值线图(MPa)

图5 竣工期小主应力等值线图(MPa)

图6 竣工期应力水平等值线图

图7 竣工期位移矢量图

图8 蓄水期水平位移等值线图(cm)

图9 蓄水期垂直位移等值线图(cm)

图10 蓄水期大主应力等值线图(MPa)

图11 蓄水期小主应力等值线图(MPa)

图12 蓄水期应力水平等值线图

图13 蓄水期位移矢量

3.1 堆石体变形分析

（1）竣工期

由于施工期自重以及堆石料的泊松效应，坝体及覆盖层的水平位移变化规律大致以坝体中心为界，下游部分向下游移动，上游部分向上游移动。向上游移动的最大值为6.96cm，位于上游坝坡中下部；向下游移动的最大值为7.03cm，位于下游坝坡中下部；坝体最大竖向位移出现在约1/3坝高的主堆石料内，其值为35.14cm，约为坝高（不含覆盖层）的0.78%，由于堆石坝坐落在相对较软的覆盖层上，其沉降中心较一般建于基岩上的坝偏向下部。在自重作用下坝体的变形矢量方向为向下、向外。

（2）正常蓄水期

蓄水期坝体受水压力的推动，整体向下游侧移动，向下游移动的最大位移值为14.44cm，发生在坝体上游侧面板部位，下游坝坡向下游侧最大变形增加为11.55cm；在水荷载作用下，坝体的竖向位移量值较竣工期略有增加，增加为37.97cm，且沉降中心稍向上游移动。在自重及水荷载综合作用下坝体的变形矢量方向为向下游移动。

3.2 堆石体应力及应力水平分析

（1）竣工期

坝体堆石料内大、小主应力随深度的增加而增加，基本接近自重方向。坝体的大主应力的最大值为1.08MPa，小主应力最大值为0.29MPa，两者均位于坝体底部中央的覆盖层内。

竣工期坝体的应力水平等值线基本平行于坝坡，个别单元最大应力水平为0.6，主要发生在覆盖层内，不影响坝体的整体稳定性。

（2）正常蓄水期

蓄水期坝体面板受水荷载的作用，大、小主应力线出现上抬并与面板相交，大主应力最大值为1.22MPa，小主应力最大值为0.34MPa。

蓄水期，随着水位的升高，应力水平发生了重分布，应力水平最大值0.91，主要发生在上游覆盖层内，由于该覆盖层内摩擦角相对较小，该处应力水平较高且较为集中。蓄水后防渗墙上游覆盖层出现高应力水平区，最大值为0.91，该区类似于主动土压力区，防渗墙下游应力水平亦有提高，由竣工期的0.36增加至0.69，该区类似于被动土压力区，由应力水平分布图13可知，虽然蓄水导致两区应力水平增大，但坝体各区依然是稳定的，未出现应力水平接近于1.0的破坏区域。

3.3 面板变形分析

图14和图15分别为竣工期面板沿高程方向挠度和应力分布图；图16和图17为满蓄期面板沿高程方向挠度和应力分布图。从图中可以看出：

（1）面板变形分析

竣工期，面板挠度仅由于自重引起，其量值较小，最大挠度仅为0.52cm。最大值出现在面板中上部。正常蓄水期，面板变形分布规律较好，面板挠度指向坝内，面板中下部约1/3坝高部位区域数值较大，最大值为17.13cm，出现在高程31.5m附近。

（2）面板应力分析

竣工期，面板应力主要由自重引起，其顺坡向应力较小，最大仅为0.03MPa。正常蓄水期，在水压力作用下，面板绝大部分区域表现为受压状态。其中顺坡向压应力最大值为6.97MPa。出现在高程31.5m附近。

图15 竣工期面板顺坡向应力分布图

图14 竣工期面板挠度分布图

图16 蓄水期面板挠度分布图

图17 蓄水期面板顺坡向应力分布图

4 结论

（1）蓄水期坝体在水压力作用下整体向下游位移，最大水平位移约为竣工时的2倍，最大竖向位移相比于竣工时增加约8%。蓄水时，在自重及水荷载综合作用下坝体的变形矢量方向为向下游移动。

（2）蓄水期坝体面板受水荷载的作用，大、小主应力线出现上抬并与面板相交，和竣工期相比，大、小主应力最大值增加幅度分别为13%和17%。随着水位的升高，应力水平发生了重分布，应力水平最大值0.91，未出现应力水平接近于1.0的破坏区域。

（3）竣工期，面板挠度及应力仅由于自重引起，其量值较小，蓄水后，面板挠度指向坝内，面板表面为压应力，最大挠度及最大应力均分布于约1/3坝高部位。

1. 郦能惠,杨泽艳.中国混凝土面板堆石坝的技术进步[J].岩土工程学报,2012,34(8):1361-1368.

2. 杨泽艳,周建平,蒋国澄,等.中国混凝土面板堆石坝的发展[J].水力发电,2011,37(2):18-23.

3. 郭兴文,王德信,蔡新.覆盖层地基上混凝土面板堆石坝优化设计研究[J].河海大学学报,1998,26(4):54-58.

4. 沈婷,李国英,李云.覆盖层上面板堆石坝趾板与基础连接方式的研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(14): 2588-2592.

5. 徐泽平,侯瑜京，梁建辉.深覆盖层上混凝土面板堆石坝的离心模型试验研究[J].岩土工程学报,2010,32(9): 1323-1328.

6. 赵一新.深厚覆盖层地基高面板堆石坝应力变形动力有限元分析[D]. 西安:西安理工大学,2009.

7. 王文娇.深厚覆盖层地基面板堆石坝的抗震特性研究析[D]. 郑州:郑州大学,2013.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.015

TV64

B

1672-2469（2014）08-0045-05

15基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目 (201201043)。

陈 飘（1975年—），男，高级工程师。