面板堆石坝合理的填筑速度探讨

余鲁江 王建柱

（扶风县水利电力工作队 陕西 扶风 722000）

面板堆石坝作为目前充满前景的坝型，得到大力发展和改进[1,2]。随着施工机械和施工技术的进步，面板堆石坝的筑坝速度在不断提高[3,4]。面板堆石坝快速施工可以使大坝提前发挥经济效益，同时由于基础处理的特点、度汛施工的特点以及水文气象的影响，也对面板堆石坝的填筑强度提出要求。目前面板堆石坝的填筑速度可以从施工组织与措施优化、施工道路规划与布置、料源的规划与平衡以及施工设备的配置、运行和管理等方面来进行提高和改善。快速的坝体填筑速度将引起复杂的应力变形特性[5-7]。堆石坝施工实践认为堆石施工完成则变形基本完成的观点是有偏差的。坝体快速填筑，大坝投入运行后，坝体产生较大的沉降变形的工程实例已不鲜见。本文结合某一工程实例，采用有限元方法，分析三种不同筑坝速度下，面板堆石坝的应力变形特性，分析筑坝速度对面板堆石坝应力变形的影响。

1 数值模型

1.1 工程概况

某面板堆石坝建于深覆盖层地基之上。覆盖层从底部到顶部主要可以划分为以下几部分：表部水库淤积层厚；上部含碎石块石砂卵砾石层厚；中部砂卵砾石层厚，是河床覆盖层的主体层；底部含块碎石的砂卵砾石层厚。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、溢洪洞、泄洪排沙洞、引水发电洞及岸边厂房等组成。混凝土面板堆石坝最大坝高110m，上游坡1∶1.4，下游局部坡度1∶1.35和1∶1.4，下游综合坡比1∶1.55，坝顶设有高度为5.2m的“L”型防浪墙与面板相接，坝顶高程805.0m。

1.2 有限元模型

计算模型考虑坝体和覆盖层结构，使用八节点六面体等参单元对几何模型进行网格剖分，共剖分单元总数67185，节点总数73184，网格剖分图如图1所示。数值计算真实模拟坝体的施工过程，同时真实模拟面板与坝体以及防渗墙与覆盖层之间的接触作用，并且模拟面板缝和周边缝等各种分缝结构。根据各相应的施工速度确定相应的有限元步，其中蓄水过程分5步进行模拟。模型坝基底面、上下游侧面及左右岸侧面都施加相应的法向约束。上游库水位以下地表边界及上游坝面施加正常蓄水位。下游水位以下地表边界及下游坝面施加下游水位。

1.3 计算参数和工况

图1 计算模型网格剖分图

邓肯张E-B模型广泛应用于面板堆石坝数值计算的模拟，并能取得较好的结果，本文采用邓肯张模型模拟堆石料和覆盖层的应力变形特性。同时采用线弹性模型模拟混凝土面板和混凝土防渗墙的应力变形特性。在混凝土结构和土体结构中直接设置相应的接触特性，模拟混凝土结构和周围土体以及堆石体的相互作用。本文所采用邓肯张模型和线弹性模型计算参数分别如表1和表2所示。目前面板堆石坝填筑的月上升速度已达20m/月，它主要受施工机械、施工道路以及物料供应等的影响。本文拟进行三种工况的计算，分别计算坝体上升速度为10m/月（工况一）、20 m/月（工况二）和40m/月（工况三）面板堆石坝的应力变形。全面和详细分析快速筑坝对面板堆石坝应力变形特性的影响。

表1 邓肯张模型参数

图2 大坝变形随时间变化曲线

表2 线弹性模型参数

2 筑坝速度对面板堆石坝应力变形影响分析

筑坝强度直接关系到工程的工期和效益。对于一个工程，合理的筑坝强度可以使工程的施工和效率达到最优。应用上述模型，分析不同筑坝速度对大坝应力变形特性的影响，包括大坝的整体位移变形，堆石坝的内部最大位移变形以及堆石坝的应力场。

图2为不同筑坝强度下，大坝竣工期变形随时间关系曲线。由图可以看出，在同一填筑速度下，大坝竣工后坝体的最大沉降随时间的增长有所增加，筑坝速度越快后期沉降增加量越大。在工况一下，坝体填筑完毕上游坝面z方向最大沉降量为1.002m，6个月后上游坝面z方向最大沉降量为1.163m，随着时间的延长，z方向最大沉降量有所增大，但幅度不是很大，增幅为16.06%。工况二、工况三呈现相同的规律，但增加幅度越来越大，工况二增幅达75%，工况三增幅达228%。也就是说，工况一下竣工期坝体沉降已达总沉降的86%，而工况二和工况三只分别达到53%和30.4%，说明较高的筑坝速度引起坝体的前期沉降较小，但会引起坝体较大的后期沉降，对坝体的后期施工不利。大坝竣工6个月后，大坝在10m/月的筑坝速度下，坝体轴最大沉降量为1.16m；在20m/月下，坝体轴最大沉降量为1.499m，相对于工况一增加了29.2%；在40m/月下，坝体轴最大沉降量为2.248m，相对于工况一增加了93.8%。可以清楚看出，轴最大沉降量随着月上升高度的增加而增加；而且月上升高度幅度越大，轴最大沉降量也越大。较快的筑坝速度引起的坝体最终沉降也较大。较快的填筑速度下，坝体的前期沉降相对于较慢填筑速度下小，而后期沉降较大。图2也给出了坝体填筑完后向后延续6个月，不同筑坝速度下大坝水平方向最大变形对比图。由图可以看出，水平方向最大变形量与z方向最大沉降量随着时间的延续有相似的变化曲线。

由于受两岸山体的约束，且两岸山岩岩体较硬，无论是哪种工况，大坝坝体都呈现两岸向中央挤压变形的趋势，同时月填筑量越大，变形也越大。由于坝体向中间变形，坝体和两岸坝肩有张拉的趋势，坝体和两岸坝基接触部位容易产生较大的拉应力。较大拉应力将引起坝体拉裂，不利坝体的安全稳定，如当坝体月上升高度较大时，如40m/月时，在左岸山坡易产生最大拉应力，导致坝体与山岩连接薄弱处拉应力大于压应力，影响坝体稳定。

为了保证大坝的安全，不宜过分快速填筑坝体。当月填筑速度达40m时，坝体沉降量很大且坝体内部最大沉降量达到3.521m；水平方向变形量也很大，给后续面板施工带来困难。坝体最大拉应力发生在左岸坝体与山岩连接薄弱处，受两岸山岩向中央挤压变形大，对坝体安全稳定性非常不利。因此在实际施工中，面板堆石坝的填筑速度并不是越快越好，快速的填筑速度引起较大的坝体沉降和坝肩的拉应力不利大坝稳定，应该拟定既经济又安全的坝体填筑速度。

3 结论

本文运用数值方法模拟面板堆石坝在不同筑坝速度下的应力变形特性，通过三种不同坝体填筑速度下面板堆石坝应力变形的比较分析得出：较快的筑坝速度下，坝体竣工期产生的沉降相对较慢的筑坝速度下的最大沉降相对较小，但是快速的筑坝速度将引起较大的坝体后期沉降，40m/月的筑坝速度下坝体的后期沉降达70%，为了保证大坝的安全，不宜过分快速填筑坝体。快速筑坝速度下，坝体在产生过大的后期变形的同时，坝体与山岩连接处易产生较大拉应力，对坝体安全稳定性非常不利。因此实际施工中，面板堆石坝的筑坝速度应合理安排确定，不宜过分的追求快速。陕西水利

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