覆盖层上面板堆石坝筑坝材料反演分析与安全性研究

陈 飘，邓成发

（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）

覆盖层上面板堆石坝筑坝材料反演分析与安全性研究

陈 飘1，邓成发2

（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）

以双溪口面板堆石坝实测沉降监测资料为基础，通过基于免疫遗传算法的位移反分析法对堆石料E-B模型参数进行反演分析，获取了符合工程实际的模型参数。根据反馈分析得到的计算结果，采用邓肯-张弹性非线性E-B模型，分析研究了大坝竣工期及蓄水期的变形及应力分布状态，计算结果表明，大坝蓄水期位移增量较小，面板应力正常，大坝运行安全。

免疫遗传算法；本构模型；反演分析；面板堆石坝

1 工程概况

双溪口水库位于浙江省余姚市大隐镇，大坝为覆盖层上直接修建的混凝土面板堆石坝，最大坝高52.1 m，坝顶长426.0 m，大坝上、下游坡坡比分别为1∶1.4、1∶1.3，坝体采用凝灰岩料分区填筑，坝体及趾板均直接建造于河床砂砾石覆盖层上，坝基防渗采用垂直混凝土防渗墙。河床覆盖层最深处约15.4 m，为砂砾卵石层，属强-极强透水层，水库大坝典型断面图见图1所示。

该工程于2005年12月开工，2006年1月初开始浇筑防渗墙，2008年初大坝开始填筑，2008年底大坝填筑完成，累计填筑石方约120万m3。水库于2009年5月30日下闸蓄水。

由于施工期大坝填筑速度较快，至2011年12月，大坝累计最大沉降量为46.3 cm，约为坝高的0.94%，与同类工程相比偏大[1-4]。为研究沉降对大坝安全的影响，有必要对大坝竣工期及蓄水期的大坝位移及应力进行有限元分析，评价大坝的安全性。由于该工程未进行大型三轴试验，同时通过类比法确定的筑坝材料本构参数可能产生较大计算误差[5，6]，故基于实测沉降监测资料，通过免疫遗传算法反演堆石料的邓肯-张E-B模型参数，再通过有限元分析大坝施工期及蓄水期的位移及应力状态，对大坝的运行安全性进行评价。

2 模型参数反演分析

将免疫遗传算法（Immune Genetic Algorithm，IGA）运用到土石坝的反演分析中，能较好地解决反馈分析中多目标、多参数的全局优化问题，针对非线性、非凸性的复杂优化问题，作用更为显著[7]。反

演目标函数应该包含坝体原型观测数值和计算值的各种信息，并避免各种变量量纲的影响，同时考虑到设备起测误差，反演分析构筑目标函数时应采用分段形式，建立目标函数如下：

图1 大坝典型断面图Fig.1 Typical cross section of the Shuangxikou CFRD

式中：m为反演分析时段总数；n为测点总数；ωij为测点权重；为计算的变形、应变或应力值；为相应的实测值。

抗原和抗体的适应度值20代无变化或世代数超过150代，停止迭代，输出最优抗体。

堆石体、覆盖层砂砾料等坝料采用邓肯E-B模型时，材料基本特性参数（γd、φ0、Δφ）变异性不大[8，9]，反演计算时，认为基本特性参数可靠，只反演参数K、n、Rf、Kb、m值，即：

3 邓肯-张E-B模型参数反演分析

为监测大坝的内部变形，在大坝的0+120断面、0+192断面和0+260断面共布置了21套水管式沉降仪，其中0+192断面为主要监测断面，该断面河床砂砾卵石层最厚。选择0+192 m断面竣工期沉降监测资料为反演值，见表1所示。大坝填筑分期图见图2，共剖分单元总数为472个，其中面板与垫层间设置接触面单位15个，节点总数为507个。

采用IGA反演方法，分别对垫层料、过渡料、覆盖层砂砾石料、主堆石料及次堆石料参数进行反演分析，对各参数逐代循环寻优，并在代代之间保留遗传优秀个体，直至反演参数趋于稳定即得到所需的反演参数。最终反演所得参数见表2。

表1 监测点竣工期沉降量Table 1 Settlement value at the monitoring points as completion

图2 大坝填筑分期图Fig.2 Filling stages of the dam

表2 IGA反演分析获取的筑坝材料E－B模型参数Table 2 Parameters of the material in E-B model by IGA

4 大坝应力变形分析

利用反演分析得到的参数进行坝体有限元分析，计算结果见表3所示。大坝竣工期及蓄水期水平位移、沉降及应力水平等值线图见图3～8。面板挠度分布图见图9、图10所示。从这些表和图可以看出：

（1）竣工时大坝最大沉降位移为35.14 cm，约为最大坝高的0.67%，出现在约1/3坝高处；蓄水后大坝水平位移增加了2.83 cm，为37.97 cm，受水压力的影响，沉降中心稍向上游移动。

（2）受堆石体自重影响，坝体水平位移大致以坝轴线为界，分别向上、下游位移，向上游位移最大为6.96 cm，向下游最大为7.03 cm，均位于坝坡中下部。蓄水后，由于水荷载的作用，大坝整体向下游侧移动，向下游最大位移为14.44 cm，发生在坝体上游侧面板部位。

（3）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。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，虽然蓄水导致应力水平增大，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。

（4）竣工时，面板挠度仅由自重引起，其量值较小，最大挠度仅为0.52 cm，出现在面板中上部。蓄水后，面板挠度指向坝内，最大值为17.13 cm，出现在高程31.5 m附近，面板变形分布规律正常。

（5）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0.03 MPa。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6.97 MPa。

表3 有限元计算成果表Table 3 The results of finite element calculation

图3 竣工期水平位移等值线图（单位：cm）Fig.3Isolinesofhorizontaldisplacementascompletion(unit:cm)

图4 蓄水期水平位移等值线图（单位：cm）Fig.4 Isolines of horizontal displacement in storage period (unit:cm)

图5 竣工期沉降位移等值线图（单位：cm）Fig.5 Isolines of settlement as completion(unit:cm)

图6 蓄水期垂直位移等值线图（单位：cm）Fig.6Isolinesofverticaldisplacementinstorageperiod(unit:cm)

图7 竣工期应力水平等值线图Fig.7 Isolines of stress as completion

图8 蓄水期应力水平等值线图Fig.8 Isolines of stress in storage period

图9 竣工期面板挠度分布图Fig.9 Distribution of slab deflection as completion

图10 蓄水期面板挠度分布图Fig.10 Distribution of slab deflection in storage period

5 结语

（1）基于免疫遗传算法的位移反分析法能较好地解决反馈分析中多目标、多参数的全局优化问题，计算结果表明其收敛速度快、精度高，是一种较好的反演优化算法。

（2）蓄水期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%。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）蓄水后，面板最大挠度为17.13 cm，相比于竣工期增加明显。面板顺坡向主要表现为压应力，蓄水后最大压应力6.97 MPa，小于混凝土允许抗压强度。 ■

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Based on measured settlement data of Shuangxikou CFRD,back analysis on parameters of the E-B model was carried out by means of Immune Genetic Algorithm and the model parameters were obtained in accordance with the engineering practice.According to the calculated results by the back analysis,the deformation and stress distribution of the dam in completion and storage period was studied by the Duncan-Chang elastic nonlinear E-B model.The results showed that,in the storage period,dam displacement increment was less,panel stress was normal,and dam was operating safely.

IGA;constitutive model;back analysis;CFRD

TV698.1 文献标志码：B

1671-1092（2014）05-0018-04

2014-09-14

水利部公益性行业科研专项经费项目（201201043）；浙江省水利厅科技计划项目（RC1327）

陈 飘（1975-），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事水利水电工程质量、安全监督，招投标监管工作。

Title:Back analysis on dam construction materials of CFRD built on riverbed alluvium//by CHEN Piao and DENG Cheng-fa//Supervision and Management Center for Quality and Safety of Water Conservan⁃cy and Hydropower Engineering