印度尼西亚Jatigede大坝工程坝体沉降分析

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

1 工程概况

Jatigede大坝工程位于印度尼西亚西爪哇省的Cimanuk河上，距离Cirebon城75km。工程所在地为赤道地区，属热带季风气候，年平均气温26℃，年平均降雨量2880mm。每年分为雨季和旱季，雨季时段为每年11月至次年4月，旱季时段为5月至10月。

Jatigede大坝工程控制流域面积1460km2，水库总库容1062.78×106m3。大坝坝型为粘土心墙堆石坝，最大坝高110m。电站装机容量110MW，多年平均发电量约4.5亿kW·h。枢纽主要建筑物包括：大坝、溢洪道、灌溉洞、发电进水口、隧洞、调压井、压力管道和厂房等。粘土心墙堆石坝、溢洪道控制段地震设防烈度为Ⅸ度，其它建筑物的地震设防烈度为Ⅷ度。

2 坝体设计

Jatigede水库大坝坝型为粘土心墙堆石坝。坝顶高程265.00m，最大坝高110m，坝轴线长1668m。上游围堰与大坝连为一体，为大坝的一部分。围堰顶部高程204.00m，顶宽12.00m。上游坝坡在204.00m高程以上为1∶2，以下为1∶3。下游坝坡1∶1.9，设三级马道，马道宽均为6.0m，顶高程分别为235.00m、205.00m和175.00m。

坝体断面分为6个区，从中部向上、下侧均为(1)粘土防渗墙区、(2A)、(2B)反滤料区、(3A)过渡料区(最大粒径40cm)、(3B)堆石区(最大粒径80cm)和(4)干砌石护坡。

3 坝体沉降监测设计

选择最大坝高剖面Sta1+100作为大坝主要监测断面，其它次要监测断面的位置见坝体沉降监测断面位置表和图。

3.1 坝体变形监测

主要仪器包括竖直测斜管和电磁沉降仪。坝体的水平位移和垂直位移变形监测由测斜管和电磁沉降仪完成。测斜管能够测量连续大范围内的坝体水平位移变形，同时也用作电磁式沉降仪的管路。

3.2 坝体主要沉降监测仪器布置

坝体沉降监测采用“电磁式沉降仪”，共布置了8个监测断面(VC1-VC10)，位置见表3。主要监测断面如图1、图2所示。

图1 坝体沉降监测纵断面位置

图2 坝体主要沉降监测横断面Sta1+100位置

4 坝体沉降监测分析

本工程于2008年开工。大坝于2012年5月开始填筑，2014年8月2日坝体最大断面填筑至坝顶266.05m高程；2015年8月31日导流洞下闸，水库开始蓄水；2016年5月31日大坝蓄水至252.50m。最大坝高断面，坝体填筑时间在2012年5月-2014年8月2日，此期间为坝体填筑期；2014年8月28日以后为运行期。

VC1为最大坝高监测断面。位置为：Sta1+100，4.5mD/S。该处坝高110m，为坝体沉降监测的典型断面，VC1监测断面在坝体不同高程的沉降监测点共19个，从下到上分为M.1-M.19，监测点埋设高程及主要沉降监测数值见表1。

4.1 最大坝高断面VC1坝体沉降分析

表1 最大坝高断面(VC1)坝体沉降汇总

填筑期坝体最大沉降量为1599mm(M.10)，坝顶最大沉降量为0mm(M.19)。坝体填筑结束至下闸蓄水前坝体最大沉降增量为241mm(M.14)，坝顶最大沉降量为159mm(M.19)。下闸蓄水后坝顶及坝体最大沉降量为163mm(M.19)。运行期坝体最大沉降增量为368mm(M.14)，坝顶最大沉降增量为322mm(M.19)，见表2。

表2 最大坝高断面(VC1)坝体沉降表

监测时段内坝体最大沉降量为1834mm(M.10)，详见图3和图4。其中，填筑期沉降增量为1599mm，蓄水前沉降增量为137mm，蓄水后沉降增量为98mm。坝体最大沉降发生在坝体中部。蓄水后期的沉降增量较小，随时间的增加，坝体的沉降逐渐收敛。坝体沉降主要发生在施工填筑期和蓄水前，运行期沉降量较小，在设计控制范围内。

大坝蓄水后到监测资料截止时坝体最大沉降增量为163mm，发生在坝顶。蓄水引起的坝体沉降增量较小，无明显的湿陷沉降变形，因此坝体沉降主要发生在施工填筑期和蓄水前期，蓄水后坝沉降量在控制范围内。

图3 最大坝高断面(VC1)坝体沉降分析

图4 最大坝高断面(VC1)填筑/运行期沉降分析

4.2 不同坝高位置坝体沉降分析

表3坝体各监测断面总沉降汇总(2012年5月-2018年4月9日)

大坝纵剖面不同位置的大坝沉降监测断面VC1-VC10的数据表明：坝顶部的总沉降量/坝高的最大值为0.34%，远小于设计的预留值1%。

4.3 坝体沉降分析结论

根据2012年5月-2018年4月9日监测时段内的坝体沉降监测数据，分析整理出坝体VC1典型监测断面坝体沉降与时间关系曲线，该系列见图5。VC1断面不同高程的19个监测点(M.1-M.19)坝体沉降规律基本相同：坝体填筑期，沉降随填筑高程的增加而增大；坝体填筑至坝顶至蓄水前期，坝体总体沉降量仍逐渐增大，但坝体沉降-时间曲线明显变缓，即相同观测时间周期内，坝体的沉降增量明显减小，说明坝体沉降主要发生在施工填筑期，填筑结束后坝体的沉降逐渐收敛。运行期，坝体总体沉降量仍逐渐增大，但坝体沉降-时间曲线明显更缓，即相同观测时间周期内，坝体的沉降增量明显减小，说明坝体沉降主要发生在施工填筑期和蓄水前期，运行期坝体的沉降逐渐收敛。坝顶沉降随相应断面的坝体高度的增加而增大，因此坝顶预留沉降超高采用相应断面坝高的1%设计是合理的。

图5 最大坝高断面(VC1)坝体分层沉降-时间曲线

5 坝体有限元计算分析

5.1 有限元分析简述

(1)应力应变关系

筑坝料的应力、应变关系采用邓肯—张双曲线非线性弹性模型，即其应力应变的相关关系符合双曲线变化规律。

(2)破坏准则

坝体填筑料的抗剪强度关系如下：

(σ1-σ3)f=2(C·cosφ+σ3·sinφ)/(1-sinφ)

(1)

式中：C——凝聚力；

φ——内摩擦角。

(3)卸荷准则

三轴剪切试验表明，在卸荷阶段，筑坝材料表现为视弹性特性，此时的弹性模量称为卸荷模量Eμr。

(2)

式中：Kμr——卸荷模量数，一般取Kμr=(1.2～2.0)K。

考虑到堆石料等坝料存在明显的剪胀特性，故取Kμr=2·K，因为堆石料在保持σ3不变的三轴试验中如发生剪胀，势必引起周围压力σ3的增大，为保持σ3不变的应力路径，则只有进一步增加Kμr值。

5.2 计算方法与边界条件

非线性有限元分析是根据应力应变关系，把它逐段地转化为一系列的线性问题，用迭代法求解，其求解步骤为：①实际工程结构的离散化；②单元分析；③总体分析。

为了能模拟坝体的逐级填筑过程，即荷载随时间增长的特性，计算中采用中点增量法来求解非线性方程组，将非线性问题转化为线性问题来求解。

考虑大坝清除覆盖层建在基岩上，计算中没考虑坝基变形，单元剖分采用任意四边形等参单元，单元划分中考虑坝体分区，并在易发生应力集中的部位，加密单元网格，计算过程采用逐级加荷模拟施工过程。计算坝体填筑分18级，加荷第16级到第18级为蓄水荷载，共计划分506个单元和545个节点。坝体设计剖面图和单元剖分图见图6、图7。

图6 坝体设计剖面

图7 坝体单元剖分

5.3 材料参数选取

根据坝料试验成果，用于有限元分析的各种坝体填筑料参数见表4、表5、表6。

表4 设计参数和填筑标准建议值

表5 抗剪强度参数建议值

表6 应力应变E-μ和E-B模型参数建议值

5.4 坝体有限元计算成果分析

5.4.1 坝体有限元计算成果

(1)竣工期

竣工期最大垂直沉降为118.17cm，发生于2/3坝高的坝轴线附近，坝顶下沉量为13.70cm，如图8所示。这里竣工期对应下闸蓄水前。

图8 填筑期沉降等值线(单位：cm)

(2)正常蓄水位

在没考虑心墙湿陷变形的条件下，正常蓄水位时最大垂直沉降为119.03cm，说明蓄水引起的坝体附加垂直沉降值不大，对坝体的沉降等值线分布影响不大，最大垂直沉降仍然发生在2/3坝高的坝轴线附近，如图9所示。图10为不同高程心墙轴线的沉降。

图9 正常水位沉降等值线(单位：cm)

图10 不同高程心墙轴线沉降

(3)正常蓄水位遇9度地震

采用拟静力法进行计算，当遇9度地震时取相应的地震加速度为0.4g。

最大沉降发生在坝体顶部，最大值为159.79cm(包含正常水位坝顶沉降)，沉降等值线说明地震引起的沉降随坝体高程的增高而增大，如图11所示。

图11 正常水位遇9度地震沉降等值线(单位：cm)

5.4.2 坝体有限元计算与监测成果对比

坝体有限元计算结果表明：在没考虑心墙湿陷变形的条件下，正常蓄水位时最大垂直沉降为1190mm；现监测值为368mm，小于设计值。运行期坝顶最大沉降为322mm，小于坝顶设计预沉降超高1100mm。

正常蓄水位遇9度地震，采用拟静力法进行计算，结果表明：最大沉降发生在坝体顶部，最大值为1598mm(包含正常水位坝顶沉降)；坝顶高程计算时：地震附加沉陷1.0m，地震壅浪高度1.1m。坝顶高程计算时采用的地震附加沉陷为1.0m，大于有限元计算值1598-1190=408mm，表明坝顶高程设计是安全的。

表7 最大坝高断面坝体沉降有限元计算与监测成果对比

6 结论

(1)最大坝高断面(VC1)坝体最大沉降量为1834mm(2012年5月-2018年4月9日)，发生在坝体中部。坝体填筑结束至今，坝体最大沉降增量为368mm(M.14)(约在坝高1/3处)，坝顶最大沉降增量为322mm(M.19)；坝顶最大沉降增量比设计预留沉降超高1100mm小很多；蓄水至今引起的坝体沉降增量仅163mm，无明显的湿陷沉降变形；

(2)坝顶沉降随相应断面的坝体高度增加而增大，因此，坝顶预留沉降超高采用相应断面坝高的1%设计是合理的；

(3)与印度尼西亚国内同规模、同类型的土石坝相比，Jatigede大坝工程的坝体沉降量小、沉降增量收敛速度明显较快。坝体沉降监测及渗流等数据表明：坝体设计是安全、合理的，且坝体填筑质量好。