刍议面板堆石坝流变分析与预沉降时间措施

段武

摘 要：堆石体变形控制是保证面板堆石坝防渗体系安全的重要措施，变形控制的重点在于控制面板浇筑后的堆石体变形，预沉降是重要工程措施之一。基于此，本文主要分析了面板堆石坝流变分析与预沉降时间措施。

关键词：面板；堆石坝流变；预沉降时间；措施

一、面板堆石坝流变分析

（一）计算网格

参照坝体的施工及蓄水过程进行三维模拟，以坝横0±000.00m为X轴，以坝轴0±000.00m为Z轴，竖直方向为Y轴，竖直方向坐标采用实际高程坐标，建立直角坐标系。根据该面板坝基础开挖图、坝轴线横剖面图以及实际的坝料分区情况，面板中部沿坝轴线方向每隔12m取一个断面，靠近岸边部位分隔加密而建立几何模型，将整个坝体沿坝轴线划分35个断面。整个面板坝被分为6188个单元，6812个结点。

（二）计算模型参数

本节计算中，堆石料本构模型采用邓肯张E-B模型，其参数C、φ0、Δφ、K、n、Rf、Kb、m、Kur、nur由常规三轴试验数据整理回归得到。流变计算则选用增量流变模型，其参数由类比已有面板坝工程的流变参数得到；另外，混凝土采用弹性模型，面板与垫层间、面板接缝均设置接触面软单元。

（三）计算工况

本次计算根据坝体实际填筑与蓄水过程进行仿真加载，考虑水荷载是在坝体填筑完成并达到稳定变形后进行。主要分析正常蓄水位工况（自重+水压力+浪压力，上游水位从295.0m起算，按每10m一级逐步增加至正常蓄水位355.0m）下坝体及面板的变形应力情况。

（四）成果分析

1、堆石流变对坝体变形应力的影响。考虑堆石料的流变效应，蓄水期坝体沉降67.30cm，相比不考虑流变时增加8.70cm，流变变形占总变形约八分之一；水平向下游位移达到37.40cm，比不考虑流变稍微增加。另外，较不考虑流变情况下，大主应力变化规律及极值变化较小，而小主应力略有松弛。总体上，符合流变现象中堆石体蠕变、应力松弛的规律。

2、堆石流变对面板变形应力的影响。考虑堆石流变效应后，面板最大挠度23.35cm，较不考虑流变时增加3.15cm；面板坝轴向位移也有所增大。水库蓄水，在水压力作用下，面板绝大部分区域为受压状态，而在面板端部及两岸存在局部拉应力区，部分区域拉应力较大。考虑堆石的流变特性，面板顺坡向最大压应力及拉应力值分别为6.07MPa与2.03MPa；坝轴向最大压应力与拉应力值分别为1.84MPa与1.37MPa，均较不考虑流变效应计算结果偏大。由此可见，考虑堆石体流变后，面板变形和应力总体上均有所增加，这与混凝土弹性材料的线弹性应力应变规律相吻合。

二、不同预沉降时间影响分析

为了减小流变变形对面板应力变形的影响，实际工程施工中一般会采取一定的预沉降时间。研究坝体填筑完成后不同预沉降时间的影响是选择预沉降时间的关键，本文进一步计算了预沉降时间分别为60天、120天、180天和360天的施工期方案。

如图1给出了计算得到的5种不同的施工期方案坝体沉降最大值增量随时间变化的曲线，坝体沉降最值增量由运行期的最值减去相应蓄水完成期的最值得到，各种施工方案坝体沉降增量均随着运行时间增加而增大；由相关数据可以看出，预沉降时间较长的施工方案运行期流变变形较小，引起的坝体沉降增量也较小。

从其他数据分析，并给出不同的施工方案的面板挠度随时间变化曲线，各种方案的面板挠度均随着运行时间逐渐增加，而预沉降时间较长的施工方案运行期流变变形较小，运行期的面板挠度也就越小。不同施工方案计算得到流变变形对面板应力影响规律与上一节类似，但面板应力大小受预沉降时间的影响较大。由相关数据可以看出，不同施工方案面板顺坡向和水平向应力最值，可以看出预沉降时间越长，面板的压应力最值越小，对面板的安全性也越有利。

三、预沉降时间选择的探讨

由上述计算成果可知，预沉降时间越长，面板施工完成后的坝体流变变形就会越小，对面板应力和变形的影响也就越小，从应力和变形的角度来说大坝也就越安全。然而，预沉降时间越长会导致施工期变长和工程投资的相应增加。因此，在确保大坝应力变形安全的前提下，应选择对施工和工程投资有利的预沉降时间。从变形速率看，见图1，当预沉降时間为120天时，面板浇筑后100天内的坝体沉降速率约为6mm/月，且变形速率已趋于收敛，从这个角度来说，预沉降时间不小于120天是合适的。从沉降量来看，预沉降时间小于180天时，大坝沉降和面板应力最大值随预沉降时间增加显著减小；而预沉降时间大于180天时，这种变化则不太明显，所以选择预沉降时间不需大于180天。根据实际工程需要，对于积石峡面板堆石坝，选择120天-180天的预沉降时间均是可行的。

参考文献：

[1]黄耀英，田斌，沈振中.基于工程类比法的面板堆石坝流变变形反馈[J].中国科学：技术科学，2015，04：434-442.endprint