蓄水期堆石混凝土重力坝力学和变形特征研究

徐 波

(中电建海南建设投资有限公司，海口 570100)

1 概 述

混凝土重力坝性质稳定、造价低廉，同时又便于施工，是一种常见的坝体结构。因此，许多学者对混凝土重力坝的力学特性和变性特征进行了一系列研究。如胡良明等[1]考虑了地震的影响，通过有限元软件建立坝体三维模型，研究了混凝土重力坝的抗震性能。韩华烨等[2]建立混凝土重力坝损伤模型，探讨了在水下多弹爆炸情况下混凝土重力坝的动态响应规律和破坏模式。钱向东等[3]将广义阻尼模型应用在混凝土重力坝抗震分析中，并对比与其他模型的差异。黄谢平等[4]通过数值模拟手段，分析了不同爆炸位置对混凝土重力坝的破坏效果。熊磊等[5]通过有限元方法，研究了在动荷载作用下混凝土重力坝的变形特性和动态响应规律。潘子悦等[6]通过有限元软件，建立坝体-地基-库水三维耦合模型，分析了地基尺寸、地基辐射阻尼和库水可压缩性等因素对结构抗震性能的影响。姚倩茹等[7]提出用于评价混凝土重力坝易损性的综合破坏指数，并与单一响应指标进行对比，结果表明综合破坏指数可以对地震作用下坝体易损性进行全面、客观的评价。周兰庭等[8]通过非对称去趋势相关性分析法，从整体和局部两个方面分析了混凝土重力坝的变形特性。

为了研究堆石混凝土重力坝的力学特性和变性特征，本文依托贵州某水电站工程，对不同阶段、不同位置处的坝体温度和渗透压力进行监测。通过有限元软件，建立堆石混凝土重力坝仿真模型，同时考虑超载倍数的影响。以期研究成果对混凝土重力坝工程的施工和设计提供参考和借鉴。

2 工程概况

本文依托某水电站工程，该水电站坝体为混凝土重力坝，上游临时断面已填筑上升122 m(设计最大坝高156 m)到848 m高程，具备抵挡500年一遇洪水的条件；累计完成填筑方量约800×104m3，约占坝体填筑总量的70%。Ⅰ期混凝土面板到796 m高程，控制流域面积54 508 km2，多年平均流量951 m3/s，该水电站总体库容约为9.10×108m3，调节库容2.87×108m3。在上游设置有厚度0.5 m的防渗层，在防渗层之上布置有钢筋网。图1为该混凝土重力坝监测点的布置情况。

图1 混凝土重力坝监测点布置示意图

图1中，通过C15堆石混凝土对坝体进行浇筑，龄期为90 d，填筑量总计约8×104m3。图1(b)为断面A-A的剖面图，在该断面共布置6个温度计，以便对该坝段的温度变化进行监测。此外，还布置有8支渗压计和5个坝顶综合位移点，以便对坝基渗压和坝顶位移进行监测。

图2为2019年12月至2021年6月的水电站蓄水位曲线。约在2020年10月份蓄满水，之后一直保持在较高的库水位状态。

图2 水电站蓄水位变化曲线

3 蓄水运行监测

3.1 温 度

该水坝施工用时约为13个月，根据当地气象局发布的数据，该地平均气温约15.1℃。图3为施工阶段坝体各监测点的温度变化情况。从图3中可以看出，在施工阶段坝体各监测点的温度变化未出现较为明显的一般性规律，变化幅度较大且不稳定。T1-T3监测点处在同一高程，在混凝土浇筑初期阶段均出现了较大的温升。整体而言，温度较高的为T2监测点，在施工初期达到峰值，约为32℃；随着施工的进行，整体上出现降低趋势；施工完成后，稳定在22℃。T1监测点和T3监测点变化趋势和数值大小均较为接近，主要原因是由于T2监测点处在混凝土剖面的中线位置，距离两侧边缘均较远，导致散热困难。此外，T2监测点在浇筑时的温度已经非常高，达到23℃，实际浇筑后升温温度小于10℃。而T4-T6监测点处于坝体上部，浇筑前温度较低，入仓温度仅为5℃左右，浇筑完成后最高温度未超过25℃。总之，堆石混凝土绝热温升不高，通过控制混凝土入仓温度是控制施工阶段坝体温度的有效手段。

图3 施工阶段坝体各监测点的温度变化

该水电站在蓄水完成之后，其水位线通常为780～795 m之间。图4为运营阶段坝体各监测点的温度变化情况。

图4 运营阶段坝体各监测点的温度变化

从图4中可以看出，相较于施工阶段坝体温度，大坝运营阶段各监测点坝体温度较低，除T3监测点之外，其余各点测得的坝体温度均未超过25℃。同一高程的T1-T3变化趋势均不相同，T1监测点靠近上游位置，受水文影响较大，温度始终维持在13℃左右，未出现较为明显的波动；T2监测点位于坝体中心线位置，距离两侧边缘均较远，散热困难，温度相对T1而言较高，在17℃左右波动；T3靠近下游位置，受到外界温度影响较大，且下游水位较低，不易通过库水进行降温，因此温度最高且变化幅度较大，波动区间为12℃～26℃。T6监测点靠近坝顶位置处，因此T6监测温度受外界影响较大，呈现季节周期性规律。

3.2 渗透压力

图5为不同监测点坝基渗透压力变化曲线。

图5 不同监测点坝基渗透压力变化曲线

观察图5可以发现，在施工阶段，坝体渗透压力较小，在0～0.05 MPa范围内。各监测点主要变动区间为蓄水期间，随着蓄水的进行，渗透压力逐渐增大。库水蓄满后，各监测点的渗透压力保持在一个相对稳定的状态，存在一定的小幅度波动。P1监测点和P5监测点位于帷幕前，在蓄水阶段和蓄水完成后的阶段均表现出较大的渗透压力，库水蓄满后其渗透压力分别为0.35和0.25 MPa。除P1和P5监测点外，其余6点均在帷幕后，其渗透压力较小，基本未超过0.15 MPa，显示出帷幕较好的止水效果。

4 有限元混凝土重力坝模型

为了进一步研究坝体变形和蓄水超载情况下的受力变形特性，本文通过有限元软件，建立了堆石混凝土重力坝模型进行仿真计算。模型根据坝体实际结构类型和尺寸进行1∶1建模，模型中坝体材料主要为自密实混凝土、堆石混凝土、常态混凝土和基岩4部分。根据热力学传导理论和相关的研究，上述材料的热力学有限元计算参数见表1。

表1 模型材料的热力学有限元计算参数

根据相关模拟研究并结合实际情况，模型边界条件划分为底部为固定端、四周为法相固定、顶部为自由端。为保证在计算精度的前提下兼顾计算效率，在划分网格时对坝体及坝体周围进行了局部网格加密，共划分出153 513个有限元网格，图6为该堆石混凝土坝的有限元网格模型。

图6 堆石混凝土坝有限元网格模型

5 超载工况下大坝结构性能分析

本文通过水头超载法，对该混凝土重力坝进行了超载计算，以研究在蓄水工况下该水坝的结构性能。超载因素表示水的计算容重与实际容重之比。由于混凝土有较强的抗压能力，而自身抗拉能力较弱，因此通过Drucker-Prager屈服准则模拟混凝土坝体以及岩体的非线性，通过理想弹塑性对材料屈服后进行计算。

图7 不同坝高位置处位移与超载倍数变化曲线

图7为不同坝高位置处位移与超载倍数变化曲线。从图7中可以看出，随着超载倍数的增加，同一坝体位置处的位移出现增长，且超载倍数越大，坝体顺河向位移增长速度越快，屈服区域也逐渐扩大，可见超载对坝体的破坏性较为显著。就不同坝体位置处而言，在超载倍数较低工况下，各监测点的顺河向位移较小，也较为接近。随着超载倍数的增加，各测点顺河向位移间的差异逐步增大。总体而言，顺河向位移最大的为坝顶位置处，其次由大到小依次为3/4坝高、1/2坝高、1/4坝高、坝底，可见顺河向位移与坝体监测位置高度成正比，所在位置越高，顺河向位移越大。此外，在超载倍数达到10时，虽然各监测点位移已经很大，坝顶位移达到42.3 mm，坝底位移也达到15 mm左右，但仍未出现上下游贯通性的屈服破坏，这表现出该堆石混凝土水坝的整体安全性较高，其稳定性也较为良好。

6 结 论

为研究堆石混凝土重力坝的力学特性和变性特征，本文依托贵州某水电站工程，对不同阶段、不同位置处的坝体温度和渗透压力进行了监测。通过有限元软件，建立了堆石混凝土重力坝仿真模型，同时考虑了超载倍数的影响。结论如下：

1) 在施工阶段，坝体各监测点的温度变化未出现较为明显的一般性规律，变化幅度较大且不稳定。总体而言，堆石混凝土绝热温升不高，通过控制混凝土入仓温度是控制施工阶段坝体温度的有效手段。

2) 相较于施工阶段坝体温度，大坝运营阶段各监测点坝体温度较低，除T3监测点之外，其余各点测得的坝体温度均未超过25℃。大坝靠近下游位置和上部位置，受外部影响较大，呈现季节性变化规律。

3) 在施工阶段，坝体渗透压力较小，库水蓄满后，各监测点的渗透压力保持在一个相对稳定的状态，存在一定的小幅度波动。帷幕后的监测点渗透压力较小，体现了帷幕良好的止水效果。

4) 在超载倍数达到10时，坝顶位移达到42.3 mm，坝底位移达到15 mm左右，但仍未出现上下游贯通性的屈服破坏，这表现出该堆石混凝土水坝的整体安全性较高，其稳定性也较为良好。