分期施工对面板堆石坝沉降变形的影响

王建柱 刘雪侠

（1.扶风县水利电力工作队 陕西 扶风 722000；2.扶风县防汛抗旱指挥部办公室 陕西 扶风 722000）

在高面板堆石坝的施工中，越来越多的坝体采用分期施工的方式将坝体的填筑分成不同的施工阶段，这种施工方式既可以缩短工期也可以提高坝体填筑施工的经济性[1,2]。但是，从面板堆石坝的应力变形分析角度分析,不同的坝体填筑施工分期，对于坝体的应力变形特性必然会产生一定的影响。如何合理地设计调配坝体填筑施工顺序，改善面板坝的整体应力变形状态，这也是面板堆石坝施工设计中需要解决的重要问题之一[3,4]。对于坝高较低的面板堆石坝，因为其填筑方量相对较小，坝体一般可以采用全断面填筑上升,上下游同时压实的方式进行施工[5,6]，即使是需要采用临时断面挡水度汛，其临时断面顶部与底部的高差也不会太大。近些年来，随着面板堆石坝筑坝技术的发展，新建的面板堆石坝坝高逐渐攀升。随着坝高的增加，坝体的填筑方量将随之增大，施工工期也将延长，由此带来的施工分期和挡水度汛的问题使得高面板堆石坝的受力状态更趋复杂。基于上述问题，本文采用有限元数值方法模拟面板堆石坝的筑坝蓄水过程，分析坝体的沉降变形状态，探讨坝体分期施工对面板堆石坝沉降变形的影响。

1 工程实例

某面板堆石坝最大坝高110m，坝顶宽10m，长345m，建在覆盖层地基之上。覆盖层厚度达到40m～50m。为了实现尽早发电的目标，经过研究，大坝建议采取坝体分期施工的方案。大坝详细的建设规划如图1所示。坝基防渗墙在2009年10月30号前施工完成，然后大坝先全断面填筑至740m高程。2010年7月中旬坝体前小断面填筑至780m高程，接着紧跟剩余坝体填筑，下游断面填筑到相同的高程。最后坝体从780m高程全断面填筑至坝顶高程。2010年9月1日开始一期面板浇筑，10月中旬浇筑至770m高程，2010年11月中旬大坝具备初期蓄水条件，同年12月底具备发电条件。二期面板降低水位施工。右岸排沙洞和引水发电系统在2010年11月底具备过流条件。本工程施工规划为分期施工全断面施工，借此工程分析分期施工对面板堆石坝应力变形的影响。

2 数值模型和计算参数

ADINA程序用于模拟面板堆石坝的沉降变形。对于堆石料，非线性弹塑性邓肯-张E-B模型由于其参数简单及具有相对明确的物理意义，广泛应用于面板堆石坝筑坝的模拟。坝体堆石料、垫层、过渡层以及坝基覆盖层的应力应变关系采用邓肯张E-B模型进行模拟，相应的材料计算参数如表1所示。混凝土面板、趾板、防渗墙应力应变关系采用线弹性模型模拟。混凝土密度取为2450kg/m3，弹性模量取为28GPa，泊松比取为0.167。在混凝土结构物与坝料及覆盖层之间设置接触摩擦单元以模拟两者之间的相互作用。把坝体上下游表面及覆盖层上下游侧表面设置为固结排水表面。总共剖分单元14850个，节点17376个。所有部位使用空间8节点等参单元进行模拟。数值计算真实模拟大坝施工过程，每层厚度小于5m。地基的底部边界是固定的，大坝和地基的侧面边界施加相应的法相约束。水压力取正常蓄水位按面力施加在面板和地基表面上。

3 结果分析

大坝740m高程以下全段面施工，740n～780m高程先前小断面施工紧接着下游小断面施工，最后再全断面施工完成。根据大坝的施工特点，大坝施工期的沉降变形问题显而易见。包括小断面沉降完预留沉降时间的安排，大坝填筑完后变形安全及沉降时间等问题都值得研究。本文运用上述计算模型详细分析了该工程分期施工下面板堆石坝的应力变形特性。

图1 坝体分期填筑规划

图2 大坝典型剖面的沉降变形（单位：m）

图3 大坝变形随时间变化曲线

表1 邓肯张模型参数

根据大坝的施工特点，大坝施工过程中典型剖面处沉降变形如图2所示。大坝沉降量随时间变化曲线如图3所示。

如图2为大坝典型断面的沉降分布规律，由于覆盖层的存在，大坝的最大沉降明显偏向坝体底部，相对于建于基岩上的面板堆石坝最大沉降位置向下偏移。随着筑坝的加高，大坝沉降越来越大。大坝全断面施工至740m高程时，坝体最大沉降为0.45m，此时沉降相对较小，与全断面填筑情况下呈现出相同的沉降规律。大坝上游断面填筑至780m时，大坝的最大沉降量为0.58m，相对于坝体施工到740m时，坝体最大沉降增加0.13m，发生在大坝上游侧，上游小断面的填筑引起一定的沉降，但数值并不大。大坝坝后小段面填筑至780m高程时，大坝最大沉降为0.61m，相对于上游小断面施工完成，此时沉降量增加量较小，但最大沉降部位向下游移动。此时如果大坝按全断面施工至相同高程，坝体将产生更大的沉降值，小断面填筑一定程度上可以减小坝体的沉降。由于前后断面施工顺序不同，上下游断面的接触部位沉降有一定突变。大坝全断面填筑完情况下，大坝的竣工期最大沉降值为0.65m，相对于下游小断面填筑至780m工程时，最大沉降增加0.04m，增加量较小，说明面板堆石坝的沉降主要发生在坝体施工的初期。大坝整体按全断面填筑完成时最大沉降达0.73m，说明分期填筑一定程度上可以减小竣工期坝体的最大沉降量，但是坝体竣工期上下游小断面接触部位沉降值仍然还有一定的突变。

图3所示为坝体填筑到一定阶段后，如果不继续施工，坝体变形随时间的关系曲线。由图可知，大坝的沉降和水平变形均随坝体的继续填筑而增大，水库的蓄水也会引起坝体变形的增加。大坝下游面填筑到780m高程之后，沉降一个月后至0.82m，然后沉降基本趋于稳定，同样水平方向的位移也是一个月后趋于稳定。如果此时对一期面板进行施工，至少预留一个月的沉降期较为合适。大坝竣工期，坝体基本要到两个月后才基本趋于稳定，竣工期坝体沉降的稳定值基本趋于1m，水平位移趋于0.4m。这种情况下如果要浇筑二期面板，一般建议大坝施工完后预留2个月沉降期。当大坝施工完就开始蓄水时，坝体蓄水后的沉降量为0.82m，2个月后基本趋于1.2m而趋于平稳，水平位移三个月后也基本趋于平稳，最大水平位移达0.6m左右，如果大坝要降低水位进行二期面板施工，一般建议预留3个月的沉降时间较为合适。

4 结论

本文采用数值方法模拟面板堆石坝的施工蓄水过程，获得坝体变形特点，在此基础上分析分期施工对面板堆石坝沉降变形的影响。大坝采用小断面分期筑坝，可以缩短工期，使工程尽早投入发电。分期施工对大坝沉降变形的分布有一定影响，分期施工可以在一定程度上减小坝体的最大沉降和变形，有利于坝体的稳定。但是分期施工在上下游断面接触部位可能会有一些沉降突变，随着大坝的逐步沉降，突变逐步消失，最终与全断面的沉降结果差距不大。采用分期施工时，应注意各时期大坝的预留沉降时间，预留足够的沉降时间，以进行下一步施工，保证安全稳定。陕西水利

[1]温续余,徐泽平,邵宇,吕生玺.深覆盖层上面板堆石坝的防渗结构形式及其应力变形特性.水利学报.2007;38（2）:211-216.

[2]孙大伟,邓海峰,田斌,郦能惠.大河水电站深覆盖层上面板堆石坝变形和应力性状分析.岩土工程学报.2008;30（3）:434-9.

[3]赵魁芝,李国英.梅溪覆盖层上混凝土面板堆石坝流变变形反馈分析及安全性研究.岩土工程学报.2007;29（8）:1230-5.

[4]李为，苗喆.察汗乌苏面板坝监测资料分析[J].水利水运工程学报,2012,（5）:30-35.

[5]崔娟，沈振中，翟迎春，等.深覆盖层上壤土心墙土石混合坝三维有限元应力变形分析[J].大坝与安全,2009,6:26-31.

[6]吕高峰，王柳江，严俊.流固耦合对覆盖层内防渗墙应力变形的影响[J].水力发电,2012,38（12）:22-30.