深厚覆盖层上超硬岩快速填筑面板堆石坝三维应力变形有限元数值模拟

吴江江，王胜利，张永华，吕涛（中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西西安　710054）



深厚覆盖层上超硬岩快速填筑面板堆石坝三维应力变形有限元数值模拟

吴江江，王胜利，张永华，吕涛
（中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西西安710054）

ABSTRACT：The Practica1 Prob1ems met in the construction of the CFRD of Miaojiaban HydroPwer Station on the deeP overburden foundation inc1ude：1）The hardness of the dam fi11ing materia1 is very 1arge and the construction time is tight；2）the fi11ing quantity is 1arge，and 3）the fi11ing Process is comP1ex. In this PaPer，the three -dimensiona1 finite e1ement software ADINA is used to estab1ish the CFRD entity mode1 to simu1ate and ana1yze the entire Process of the raPid fi11ing of the dam，ca1cu1ate and ana1yze the deformation，disP1acement and stress changes at each stage of the CFCD fi11ing，and sett1ement and trend of stress changes after the water storage in the dam is comP1eted. The achievement of research in this PaPer has certain Practica1 va1ue to the raPid bui1ding of the dam on the deeP overburden foundation with suPer hard rocks and has certain reference va1ue to the simi1ar Projects，and Part of the resu1ts of the research has been a1ready used the the design and construction of Miaojiaban HydroPwer Station Project.

KEY W0RDS：CFRD；deeP overburden foundation；suPer hard rock；fi11ing dam raPid1y；ADINA

摘要：结合建在深厚覆盖层上的苗家坝水电站面板堆石坝施工中遇到的实际问题——大坝填筑料硬度很大而且工期紧，填筑工程量大，填筑工序复杂。通过对大型非线性有限元通用软件ADINA的改进和开发，建立了面板堆石坝的三维数值模型，对大坝快速填筑坝的全过程进行数值模拟，计算分析此面板堆石坝填筑到各个时期的位移和变形、大小主应力的变化以及填筑完成蓄水以后坝体沉降和应力的变化趋势等。文章研究成果对在深厚覆盖层地基上利用超硬岩堆石料进行快速筑坝具有一定的实用价值，对类似的工程也有比较大的参考价值，部分研究成果已在该工程的设计和施工中得到应用。

关键词：面板堆石坝；深厚覆盖层；超硬岩；快速筑坝；ADINA

随着我国水利水电事业的发展，水工建筑物规模不断扩大，对相应的技术要求也随之不断提高。例如在地质条件差且复杂的深厚覆盖层地基上建坝，渗漏、渗透稳定、沉陷、不均匀沉陷及砂土液化等问题均较突出，对深厚覆盖层的基础处理、防渗技术提出了新挑战；随着高坝的兴建，优化结构布置与料区分布，缩短设计周期，降低工程造价也非常重要[1-2]。

苗家坝水电站位于甘肃省文县境内，坝址处为高山峡谷地区，山势险峻，河谷呈“V”型。河床覆盖一般层厚为44～48 m，其中底部含块碎石的砂卵砾石层厚5～10 m；河床覆盖层表部水库淤积的层厚2～4 m，上部含碎石块石砂卵砾石的层厚6～20 m，中部含砂卵砾石层厚12～15 m，为河床覆盖层的主体层。平水期水面宽约40 m，水位约为702 m。两岸山体岸坡角的角度42°～45°，山体高度比河水位高出400 m。坝型为混凝土面板堆石坝，上游坡度1：1.4，下游局部的坡度1：1.35和1：1.4，下游综合坡比为1：1.55，坝顶长度348.20 m，最大坝高为111 m，坝顶的宽度为10.0 m。坝顶高程805.0 m，坝顶处设置“L”型防浪墙与面板相接，高度为5.2 m，坝体填筑总量约377万m3。坝址区河谷深切，在重力作用下导致岩体发生蠕动变形和卸荷松弛，两岸一定深度内形成深度略浅于弱风化带的卸荷带。受重力和孔隙水压力的长期作用，岩体进一步松弛、变形，形成危岩甚至深厚变形岩体。

1　研究方案

由于大坝面板浇筑分两期施工：2010年7月中旬坝体小断面填筑至780 m高程（顶宽20 m，下游综合坡比1：1.5），一期面板浇筑在2010年9月1日开始动工，10月中旬已完成至770 m高程，2010年11月底坝体全断面填筑至801 m高程，2010年11月中旬大坝具备初期蓄水条件（770～801 m高程挤压墙挡水），12月底大坝要具备发电的能力。方案二期面板通过降低水位来进行施工，在同年11月底水发电系统和右岸排沙洞引要具备过流条件。根据施工情况算需，大坝施工期的沉降变形问题显而易见，小断面填筑完预留沉降时间的安排，变形安全等问题值得研究，据此，需要对大坝填筑的全过程进行数值仿真，来计算大坝的变形情况，现拟从以下几个方面进行研究分析：

1）大坝小断面填筑至780 m高程时，坝体的沉降，以及沉降稳定所需的时间。

2）坝后填筑至780 m高程时，大坝的整体沉降。

3）全断面填筑完（801 m）时，大坝的总沉降以及大坝蓄水后的沉降稳定分析。

4）计算坝体变形对防渗墙的影响。

图1　大坝分期填筑典型断面示意图Flg. 1 Schematlc dlagram of a typlcal cross sectlon of dam fllllng stages

2　ADINA软件及其求解过程

ADINA（automatic dynamic incrementa1 non -1inear ana1ysis）是一种动力非线性有限元分析软件。ADINA除了求解线性问题之外，同时也具备分析非线性问题的功能，包括涉及结构场之外的多种多场耦合问题和求解结构。在ADINA软件中，整个求解过程一般可分为4阶段：

1）有限元网格和单元数据的输入。

2）常数结构矩阵装配。

3）载荷矢量的计算。

4）逐步求解。

3　有限元计算模型

3.1模型的建立

模型包含了面板、垫层、坝体、挤压墙、防渗墙、坝基覆盖层、过渡层、地基、山岩。

模型选取范围：计算模型取两岸坝肩向左右岸各自延伸30 m，沿坝踵向上游和坝址向下游各自取120 m，过渡层取4 m，河床覆盖层取42 m，岩取100 m，宽垫层取3 m，防渗墙1.2 m×42 m，宽面板和挤压墙分别取1.5 m。

计算模型的坐标系定义：整体模型χ、y、z的值为408.2 m×559.75 m×243 m。从左岸到右岸为χ轴正方向，从上游指向下游为y轴正方向，从下向上为z轴正方向。

计算网格图见图1、图2，计算模型总共剖分为116 517个单元，120 410个节点。

图2　有限元计算模型整体网格剖分图Flg. 2 The overall grld partltlon drawlng of the flnlte element computatlon model

图3　有限元计算模型局部坝体网格剖分图Flg. 3 The partlal dam grld partltlon drawlng of the flnlte element computatlon mode

3.2材料本构模型

邓肯E-B双曲线模型可以较好地模拟堆石的变形性状[3-7]；而且邓肯E-B双曲线模型参数测定有相当成熟的经验，测试较为简单，因而在混凝上面板堆石坝的计算中被广泛地应用。但是，ADINA8.5软件中没有直接提供邓肯E-B双曲线材料模型，因此本文通过对ADINA8.5中提供的自定义材料模型（user-suPP1ied）进行二次开发，加入了邓肯E-B双曲线材料模型。坝体材料就选用邓肯E-B双曲线材料模型，其他材料选用线弹性模型，模型单元组选用多孔介质材料（Porous media），把覆盖层上下游侧表面和坝体上下游表面设置为固结排水表面，最后计算整个坝体填筑完后分蓄水及不蓄水情况下沉降稳定所需的时间。

3.3初始地应力场与边界条件

在ADINA软件中，按照坝体施工之前的实际情况，模拟加载计算一次所得到的应力场作为初始地应力场。采用单元生死来模拟施工过程。挤压墙与面板间的相互作用采用接触单元。在模型的底部整个面施加χ、y、z三向的约束，在模型的左右岸外侧施加χ向约束，在模型的上下游侧面施加y向的约束；堰体基底面及上、下游围堰侧面按不透水边界考虑（通过此类面的流量为零），蓄水期坝体最大水头高程为801 m。

3.4计算参数

根据已有基础资料，综合一般工程经验[8-10]，得出分析所需的各种计算参数。坝采用3B料，计算参数见表1。其余材料计算参数见表2。

表1　坝体邓肯E-B双曲线材料模型计算参数Tab. 1 Computatlon parameters of Dam Duncan E-B hyperbollc curve materlal model

表2　材料模型计算参数Tab. 2 Materlal model computatlon parameter

4　计算结果与分析

根据实际的施工顺序，分别对小断面填筑至780 m高程时（见图3），全断面填筑至780 m高程时（见图4），以及施工完成以后3个阶段进行分析，为了说明问题绘出各个阶段不同时间坝体的典型断面（χ＝221 m）的垂直向位移，水平位移，以及大小主应力进行对比分析：

图4　小断面填筑至780 m高程时坝体的典型断面χ＝221 m处水平向位移等值线（m）Flg. 4 The horlzontal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 m when the llght sectlon ls fllled to 780 m elevatlon（m）

图5　小断面填筑至780 m高程6个月后坝体的典型断面χ＝221 m处垂直向位移等值线（m）Flg. 5 The vertlcal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 m 6 months after the llght sectlon ls fllled to 780 m elevatlon（m）

图6　小断面填筑至780 m后大坝沉降趋势图Flg. 6 The settlement trend chart of the dam when the llght sectlon ls fllled to 780 m elevatlon

图7　小断面填筑至780 m后大坝水平位移趋势图Flg. 7 The horlzontal dlsplacement trend chart of the dam when the llght sectlon ls fllled to 780 m elevatlon

由图4～图7可以得知当小断面填筑至780 m时，大坝的沉降量为0.5488m，沉降一个月后到0.823 2 m，最终沉降基本趋于稳定，水平位移最大值在上游为0.143 7 m，2个月后也基本趋于稳定，如果工期紧张，一般建议预留一个月的沉降期再进行面板施工比较合适。

由图8～图11可以看出大坝填筑完成之后没有蓄水情况下，大坝的竣工期沉降值为0.651 8 m，2个月后为1 m并开始趋于稳定，水平位移在2个月后也基本趋于稳定，一般建议大坝施工完2个月后进行二期面板施工。

图8　大坝竣工期坝体典型断面χ＝221 m处垂直向位移等值线（m）Flg. 8 The vertlcal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 when the dam ls completed（m）

图9　大坝竣工期坝体典型断面χ＝221m处水平向位移等值线（m）Flg. 9 The horlzontal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 when the dam ls completed（m）

图10　大坝完成以后沉降随时间变化图Flg. 10 The settlement change wlth tlme after the dam ls completed

图11　大坝完成以后水平位移随时间变化图Flg. 11 The horlzontal dlsplacement change wlth tlme after the dam ls completed

图12　大坝竣工后刚蓄水时坝体典型断面χ＝221 m处垂直向位移等值线（m）Flg. 12 The vertlcal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 when water beglns to be stored just after the dam ls completed（m）

图13　大坝竣工后刚蓄水时坝体典型断面χ＝221 m处水平向位移等值线（m）Flg. 13 The horlzontal dlsplacement equlvalent llne at the typlcal sectlon of the dam wlth χ＝221 when water beglns to be stored just after the dam ls completed（m）

图14　大坝蓄水后沉降量随时间变化图Flg. 14 The settlement change wlth tlme after water storage

图15　大坝蓄水后水平位移随时间变化图Flg. 15 The horlzontal dlsplacement change wlth tlme after water storage

由图12～图15可以看出当大坝施工完就马上蓄水，坝体出现的最大沉降值为0.822 7 m，2个月后为1.2 m并趋于平稳，在库水位压力的作用下水平位移最大值出现在下游端，为0.193 m，位移3个月后趋于稳定，所以如果大坝通过降低水位进行二期面板施工，预留3个月的沉降时间比较合理。

由表3可知，坝体在填筑完成以后的大小主应力的最大值分别为1.76 MPa、0.79 MPa；坝体在蓄水期的大小主应力的最大值分别为1.82 MPa、0.83 MPa，均发生在坝体靠近下部部位，与一般堆石坝的应力分布规律是一致，也说明施工方案的可行性。

表3　坝体应力极值Tab. 3 The extreme value of stress of the dam body

大坝防渗墙处的水平位移到沉降稳定后的最大值大约为1 cm，大坝的水平向位移不会破坏防渗墙的安全和稳定。

5　结语

文章通过对ADINA中提供的自定义材料模型中加入邓肯E-B双曲线材料模型的开发，计算分析苗家坝水电站面板堆石坝面板分两期施工过程中各个阶段坝体的沉降与位移、应力、以及沉降稳定所需要的时间等，得出大坝在小断面填筑到780 m高程以后至少需要一个月的沉降稳定时间，刚填筑完就开始一期面板的方案需要谨慎考虑，整体大坝填筑完以后，二期面板是在大坝降低水位后再进行施工的，至少需要2个月的沉降时间。如果情况允许，最好是3个月，坝体的应力极值大小和分布同一般堆石坝的应力分布规律是一致的。

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吴江江（1986—），男，硕士研究生，研究方向为水利工程计算。

（编辑李沈）

作者简介：

收稿日期：2015-06-16。

文章编号：1674-3814（2016）01-0107-05
Research on Fllllng Dam Rapldly wlth Super Hard Rock ln Deep 0verburden Foundatlon for CFRD
WU Jiangjiang，WANG Sheng1i，ZHANG Yonghua，LÜ Tao（Shaanxi E1ectric Power Design Institute，Xi’an 710054，Shaanxi，China）

中图分类号：TV641

文献标志码：A