高面板堆石坝变形性态分析与研究

张礼兵 ， 冯燕明

（1.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.国家能源水电工程技术研发中心高土石坝分中心，云南 昆明 650051）

0 引 言

截至2005年，我国30 m以上大坝中土石坝3216座 （其中堆石坝391座）、重力坝545座、拱坝729座，土石坝在各种坝型中所占比例为67%[1]。目前，高土石坝以堆石坝为主，其中高面板堆石坝所占比重越来越大。因此，有必要对高面板堆石坝变形监测成果进行分析总结，并以此指导工程的设计与施工。

结合在建梨园水电站面板堆石坝，分析评价大坝填筑到坝顶时变形监测成果，建立大坝三维有限元模型，利用神经网络方法[2]反演堆石体参数并计算其变形状况，分析评价大坝的工作性态。结合国内外类似工程的变形监测成果，总结高面板堆石坝沉降范围，提出大坝堆石体压缩模量与沉降比的关系，以此评价面板堆石坝变形性态与施工质量，为在建及拟建的高面板堆石坝提供参考。

1 大坝堆石体计算参数反演

1.1 计算模型及反演初始参数

根据梨园水电站坝址区地质条件和坝体分区特点，建立计算模型 （见图1）。整个坝体结构总结点5 737个，总单元4 949个。堆石静力本构关系采用邓肯E-B模型[3]。根据可研阶段堆石料试验结果[4]及对比其他工程，确定静力计算的初始材料参数 （见表1），并以此作为参数反演取值范围的重要参考。

图1 坝体三维有限元网格

表1 初始材料参数

1.2 反演程序与方法

采用MATLAB程序建立的BP神经网络模型对面板坝堆石体力学参数进行反演，根据参数敏感性分析，选取坝体主堆石、次堆石的参数K、n、Kb、m为反演参数，反演参数与大坝位移矢量δ之间的关系可视为某种非线性映射关系δ=f（K，Kb，n，m），并用人工神经网络近似实现。基于人工神经网络的E-B参数反演方法的具体实现步骤如下：

（1）组织网络的训练样本。首先依据相关试验资料和工程经验，给出堆石体反演参数的取值范围（样本取值区间），选取典型监测点的竖向位移作为训练的指标。

（2）用有限元计算测点在竣工期的位移值，并作为网络的输入矢量，对应的堆石料的待反演参数为输出矢量。

（3）运用MATLAB神经网络设计程序对该网络进行训练，满足一定精度后则停止训练。

（4）选取计算测点对应的实测值，将其输入训练好的网络，网络输出即为待求的力学参数。反演技术路线见图2。

1.3 堆石体参数反演

选取具有代表性的8个监测点作为输入单元，分别基于水管式沉降仪实测沉降、电磁沉降环实测沉降[5]反演参数，结果见表2。

图2 反演技术路线

表2 E-B模型参数反演结果

2 不同参数有限元计算分析

基于水管式沉降仪实测沉降、电磁沉降环实测沉降反演参数进行三维有限元计算结果见表3。从表3可以看出，2组参数计算得到的竖向位移分别为99.89、112.68cm，与实测值97.58、111.0cm量级一致，说明反演方法及计算模型可靠。由于梨园电站水管式沉降仪埋设滞后、测值偏小，大坝变形成果以电磁沉降环实测沉降反演计算结果为准。

表3 堆石体变形反演计算极值 cm

图3为填筑至坝顶时最大断面基于电磁沉降环实测沉降反演计算的位移等值线分布，图4为堆石体变形矢量图。由图3、4可以看出，由于堆石体的泊松效应，水平位移分布规律为上游堆石区位移指向上游，最大值为44.8 cm；下游堆石区位移指向下游，最大值为37.5 cm；最大竖向位移为112.68 cm，占坝高的0.73%，发生在1/2坝高处。

3 堆石坝变形综合评价

国内外典型面板堆石坝竣工期和蓄水期的位移监测极值见表4，沉降比与坝高分布见图5。竣工期堆石体水平位移向上游极值为1.16～36 cm、向下游位移极值为27.7～57.0 cm，沉降量为37.2～223.0 cm，沉降比为0.38%～1.2%。

图3 坝体最大剖面堆石体位移等值线（单位：cm）

图4 堆石体变形矢量

梨园大坝堆石体实测最大水平位移向上游为13.2 cm、向下游为12.1 cm，实测沉降111.0 cm、沉降比0.72%，与相似坝高工程相比，均在统计范围之内，表明梨园水电站大坝变形工作性态正常。

图5 典型面板堆石坝沉降比与坝高分布

压缩模量是坝体变形性质的最主要指标，是衡量堆石填筑质量的标准。典型工程压缩模量及沉降量见表5，压缩模量与沉降比关系曲线见图6。与类似工程相比，梨园水电站大坝压缩模量较大，沉降较小，说明该大坝堆石体的填筑质量较好。

表5 典型堆石坝压缩模量及沉降统计

4 结 论

表4 典型面板堆石坝位移监测极值

通过对以梨园为代表的国内外典型高面板堆石坝工程的分析研究，得到以下结论：

（1）利用BP神经网络方法进行堆石体反演计算，计算值与实测值一致，说明反演方法及计算模型可靠。

图6 平均压缩模量与沉降比关系

（2）总结国内外类似工程的监测成果，得到典型面板堆石坝堆石体沉降比的分布范围。

（3）根据典型面板堆石坝堆石体压缩模量分布，得到平均压缩模量与沉降比的关系式，可据此对施工质量进行评价。

［1］ 贾金生，袁玉兰，马忠丽.中国与世界大坝建设情况［C］//水电2006.国际研讨会论文集.昆明：中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，2006:1205-1209.

［2］ 王岩，隋思涟，王爱青，等.数理统计与MATLAB工程数据分析［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［3］ 殷宗泽，等.土工原理［M］.北京：中国水利水电出版社，2000.

［4］ 魏亮亮，刘绍川，杨传俊，等.梨园水电站面板堆石坝填筑坝料试验报告［R］.长沙：中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，2013.

［5］ 邓军，聂成良，罗旭东，等.梨园水电站枢纽区安全监测工程2012年度监测报告［R］.昆明：梨园水电站枢纽区安全监测工程“昆·长”联合体项目部，2012.