坝料孔隙率对面板堆石坝施工优化的影响分析

刘文娜

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

坝料孔隙率对面板堆石坝施工优化的影响分析

刘文娜

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

堆石料的孔隙率（干密度）是面板堆石坝施工的重要参数之一，对坝体的变形有较大影响。本文针对积石峡面板堆石坝，采用试验得到的参数对堆石区不同干密度工况进行计算，分析了不同干密度情况下坝体变形稳定时间的规律，可以为后续大坝的施工和变形预测提供指导和依据。

面板堆石坝；孔隙率；施工优化；影响分析

积石峡面板堆石坝坝高100m，设计填筑方量约280万m3。根据清华大学等单位对开挖料用于该堆石坝的可行性研究成果，将尽可能多的采用开挖料筑坝［1-4］。一方面能够降低填筑料的开挖运输成本，另一方面可以节省处理开挖料的成本。积石峡面板堆石坝原计划在坝体填筑完成后，待变形稳定6个月后再进行面板施工。考虑到目前坝体填筑有些滞后，为了实现早日蓄水发电，需要研究对大坝施工方案进行优化分析，探讨较计划缩短坝体变形稳定期、提前进行面板施工的可行性，研究减小由于缩短坝体稳定期后导致的坝体流变变形以及其对面板不利影响的设计和施工优化措施。本文针对不同干密度堆石料筑坝情况进行不同变形稳定时间方案的流变变形计算分析，探讨坝料干密度对施工期优化分析的影响研究。

1　工程概况

积石峡为二等大（2）型水电工程，大坝等级为1级。大坝最大坝高为103 m，正常蓄水位为1856 m，死水位为1852 m。该工程以发电为主，年发电量为33.63亿kW·h，保证出力为332.3MW。大坝建于U型河谷断面之上，地处高山峡谷地区，河谷左右岸并不对称，并且相对较为陡峭，其中左岸岸坡角达60°～70°，而右岸相对较缓也达到40°～60°。在上述不利地质条件上建造高103 m的面板堆石坝，减少大坝的不均匀沉降和渗漏水量是一个关键问题。大坝的分区主要由面板、垫层区、特殊垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区以及护坡等组成。其中垫层和过渡层由砂砾石料组成，而堆石料由砂岩组成。混凝土面板总面积为3.5万m2，厚0.3m～0.59 m，面板材料采用C25混凝土。

2　计算模型

2.1堆石料流变模型及参数

假设堆石料的流变特性用Merchant模型描述，即符合式（2-1）。将应变分解成体积应变和剪切应变两部分：

其中，εvf和γf分别为最终体积流变量和最终剪切流变量。

三参数流变模型的参数为α、b、d；七参数流变模型的参数为α、b、c、d、m1、m2、m3。三参数流变模型比较简单，参数较少，但是不能很好地符合流变试验结果。七参数流变模型认为体变不仅与围压有关，而且与轴向荷载相关。从堆石流变的机理上来看，流变主要是由于堆石颗粒的破碎引起，而试验结果表明，当荷载较小时，颗粒破碎量随荷载加大而明显增加，但是随着荷载进一步增加，颗粒破碎量增加相对减慢。所以七参数流变模型能够更加合理反映流变变形量的各种影响因素，但是参数较多，不利于参数反演计算。

本文在调研分析积石峡面板堆石坝3种坝料的流变试验结果的基础上，提出最终流变量由下式计算：

这个流变模型的最终流变量具有七参数流变模型的类似表达形式，能够综合反映流变变形量的多种影响因素，但是模型参数大大减少，只有两个：α、b，这样有利于参数的反演计算。其中α是表示初始流变速率的量，其值越大则变形稳定越快，反之则越慢；b值则确定最终体积流变量和最终剪切流变量的大小。下文不妨称其为二参数流变模型。大坝的加载变形的计算采用清华混合料加载模型，流变变形计算采用上述的二参数流变模型。流变模型参数通过类比相似工程确定如表1。

表1　流变模型参数

2.2有限元模型

本文对大坝典型断面进行二位数值计算，计算所取断面为大坝典型剖面图。其中网格包含结点数为386，单元数为355。在计算中尽量真实模拟了坝体分层均匀上升的填筑过程，面板施工过程和水库蓄水过程。坝体施工结束后再进行面板施工，坝体竣工以后蓄水至设计水位。本次计算考虑了坝体与基岩的接触面、采用了试验结果确定了挤压墙以及其与面板接触面的相关参数。计算时上游水压力按照面力施加在上游面板表面，模型底部施加固定约束。

3　不同坝料孔隙率（干密度）施工优化分析

采用表1中的流变模型参数，针对相对较高和相对较低干密度的两种方案进行了不同变形稳定时间的流变计算分析。变形稳定时间分别为0天、30天、60天、90天、120天、180天和360天的施工方案。

由计算结果可以得到以下规律：

1）流变变形对大坝的位移场有一定影响，坝体竖向沉降及顺河向位移均有所增加；由流变引起的竖向位移增量沿坝体高程逐渐增加，使得坝体总体沉降最值位置较蓄水完成期有所抬高；坝体顺河向位移的增量方向指向下游，使得坝体总体水平向位移向上游有所减小，向下游有所增加；流变变形对大坝的应力场影响较小。

2）流变变形引起了坝体变形增加，从而使得面板挠度增大和应力发生较为明显的变化。堆石料流变变形引起的面板挠度增量随着高程逐渐增大，在面板顶部达到最大，使得面板挠度最大值位置有所抬高；流变变形对面板应力产生了较大的影响，其中顺坡向应力、压应力明显增大，但对拉应力大小和分布影响不大；面板水平向应力压应力有所增大，拉应力区域略有缩小而大小变化不明显。

3）大坝的应力变形与变形稳定时间的关系表现出较为明显的阶段性：当变形稳定时间小于30天时，坝体应力变形随着变形稳定时间的增加显著减小；当变形稳定时间在30天至180天变化时，坝体应力变形的减小与变形稳定时间的增加基本呈线性关系；当变形稳定时间大于180天时，坝体应力变形随变形稳定时间的变化不大。

4）不同的干密度主要影响加载产生的坝体变形和面板应力变形，较高干密度时坝体变形相对较小，面板应力和变形也相对低干密度时较小；鉴于施工过程中干密度变化范围较小，可以认为堆石料流变参数变化不大，那么，除由于加载变形导致的总体变形不同外，干密度的变化对运行期坝体应力和变形增量的影响很小。

4　结语

本文基于已有的研究成果和工程经验，通过数值模拟方法，探讨大坝施工的优化措施并评价其有效性，其核心是分析不同干密度条件下坝体变形规律。进行了不同干密度方案的流变计算分析，探讨了流变变形对大坝应力变形的影响规律，并计算分析了不同变形稳定时间方案大坝全过程的应力变形规律研究，论证探讨了大坝施工期优化方案。陕西水利

［1］张建民，张嘎.面板堆石坝安全性评价的若干研究进展.中国面板堆石坝建设20周年纪念和学术研讨会论文集，中国水利水电出版社，2005:605-616.

［2］张嘎，张建民，洪镝.公伯峡面板堆石坝面板裂缝非常工况的渗流分析.水利学报，2005，36.

［3］温立峰，柴军瑞，王晓.深覆盖层上面板堆石坝应力变形特性研究.岩土力学，2015.36（8）:2686-2394.

［4］罗刚，张连卫，张建民.高挡墙混合坝动力反应分析.水力发电学报，2004，（5）.

（责任编辑：畅妮）

TV 311

A