张峰水库大坝坝体应力应变参数反演计算

贾慧鹏（山西张峰水库建设管理局，山西晋城　048215）



张峰水库大坝坝体应力应变参数反演计算

贾慧鹏
（山西张峰水库建设管理局，山西晋城048215）

【摘 要】本文首先对张峰水库大坝原型沉降观测资料进行进一步分析，按照与数值计算进行对比的思路进行重新整理；然后建立数值计算模型，采用初始参数进行坝体各分级情况下变形场计算；再将计算结果与原型观测资料进行对比，不符合时采用优化方法调整参数，直到计算结果与原型观测资料基本相符为止。

【关键词】张峰水库；大坝坝体；应力应变；参数反演

1 概 述

张峰水库大坝坝型为黏土斜心墙堆石坝，坝顶高程763.8m，坝顶长627m，坝顶宽10.0m，最大坝高72.2m，上游坝坡1∶1.75，下游坝坡1∶1.5；黏土防渗体顶部高程762.8m，顶宽4.0m，高程752.5m以上采用直心墙型式，以下为斜心墙，心墙上游边坡1∶0.75，下游边坡1∶0.25；上游堆石料与心墙之间设置一层反滤层和一层过渡层，心墙下游与堆石料之间设置两层反滤层和一层过渡层。

变形和应力场反演分析目的：用数值分析的方法，以原型监测资料为标准，反演得出符合坝体实际的应力应变计算参数；以反演参数为基本参数值计算坝体在不同工况下的变形和应力场；分析蓄水引起的坝体不均匀变形状况，以及各部分变形发展规律，预测高水位下坝体变形发展；分析蓄水引起的坝体应力变化，判断心墙拱效应的危害程度和发生水力劈裂的可能性，预测高水位下坝体的安全。

计算主要以0 + 250断面为主进行，该断面坝高较高，存在坝基土卵石层，地层具有代表性，并设置有应力和位移观测设备，观测数据较好，便于对比。沉降仪分布情况见图1。

图1　沉降仪分布情况（0 +250）

2 坝体应力应变参数反演

以0 +250断面施工期沉降与原型观测资料符合为主要反演目标。采用分层加载方法进行计算。计算中将坝体按照高程划分为15级，平均每级的高度在4～5m左右，为了充分反映各沉降仪沉降特性，方便与沉降观测资料对比，在各沉降仪埋设高程设置填筑层。同时为了进一步消除分层对计算结果的影响，在每层加载重力时采用本层重力分为5级加载的方法进行重力的施加，相当于总分级为15×5 =75级，这样可以充分消除施工分级误差。计算采用有效应力法进行，计算原始参数见下表。

反演得到的变形和应力计算参数表

续表

注 （）中数据为变形和应力计算初始参数。

计算中考虑到坝基岩石弹性模量较高，其本身的压缩变形很小，在坝基计算范围各个边界上均设置了固定支座约束。同时不考虑坝基自重应力以及其引起的变形，来反映坝体填筑引起的附加应力，更有利于理解。

反演的步骤为：先对原型沉降观测资料进行进一步分析，按照与数值计算进行对比的思路进行重新整理；然后建立数值计算模型，采用初始参数进行坝体各分级情况下变形场计算；再将计算结果与原型观测资料进行对比，不符合时采用优化方法调整参数，直到计算结果与原型观测资料基本相符为止，此时的计算参数就是坝体反演得到的基本符合坝体实际的参数。

需要说明的是，由于观测资料受施工、观测精度等多种因素的影响，数值计算与实际相比也存在本构模型、受力状态和边界条件差别，两者不可能完全吻合，此次计算中以最大沉降区域与最大量值相符为目标，也就是只要最大沉降区域基本相符，最大沉降值基本一致，就结束反演。

下面分几个方面描述反演过程与结果。

2.1 沉降观测资料再分析

在0 +250断面设置了两条位移式沉降观测垂线，其中一条垂线上设置6个沉降仪，用于观测心墙由上到下的沉降；另外一条垂线上设置7个沉降仪，用于观测下游过渡层和反滤层的沉降。同时在下游坝壳区域两个高程上设置上下两排水管式沉降仪，用于观测下游坝壳沉降。整个施工期各个沉降观测时程变化曲线见图2。从中可以看出，2007年8月26日前心墙和反滤层沉降观测资料较为可靠。

图2　施工期沉降观测值时程变化曲线

下游堆石体沉降采用水管式沉降仪观测，其原理就是通过观测随土层一起沉降的液面高程来反映坝体沉降，其测定的就是该高程在仪器埋设完成后的绝对沉降，可以与数值计算进行直接对比。而心墙和反滤层中设置的位移式沉降仪是通过观测与土层一起沉降的沉降板与传递杆之间的相对变形，反映土体沉降。该工程传递杆下部埋设在基岩之中，可以认为是不动的，但是在725m高程处（2-4-1和2-4-2仪器埋设高程）鉴于传递杆较长将之截断，因此，在725m高程以下埋设的仪器（2-7-1、2-7-2、2-6-1、2-6-2、2-5-1、2-5-2）测定的沉降值为土层的绝对沉降，也就是相对于坝基的绝对沉降，而之上埋设的仪器（2-4-1、2-4-2、2-3-1、2-3-2、2-2-1、2-2-2、2-1-2）测定的沉降值需要累加2-5-1或者2-5-2所测沉降值才能得到其相对于基岩的绝对沉降。这样折算后得到的坝体沉降观测值时程变化曲线见图3。图中数据可以与数值计算进行对比。

图3　折算后的坝体沉降观测值时程变化曲线

从图3可以看出，坝体心墙沉降随填土高程的增高而增大，从高程分布上看，中部大上下小，符合一般规律，其最大沉降发生在725～735m高程之间，在2007年8月26日沉降最大值为37.22cm。反滤层和过渡层中沉降规律与心墙基本一致，其最大沉降也发生在695～705m高程之间，在2007年8月26日沉降最大值为19.09cm。

2.2 参数反演计算

用原始参数计算得到的坝体心墙和反滤层过渡层各沉降仪埋设点沉降时程变化曲线见图4。将其与图3进行对比，计算值明显小于实际观测值，需要对参数进行调整。

图4　计算得到的沉降仪埋设点沉降时程变化曲线

经过采用优化方法进行参数调整，最后优化得出的系列参数值，其值见上表。由这组参数计算得出的沉降时程变化曲线见图5。从中看出，该计算结果与原型观测数据在最大值与其分布上基本相符。

图5　反演计算得到的沉降仪埋设点沉降时程变化曲线

为了更为清楚标示计算与观测资料的符合程度，将典型时程曲线进行对比画于同一张图中，见图6。

图6　计算与观测典型沉降值对比

3 反演结果分析

对比发现，两者在心墙与反滤层中部沉降结果相比较为符合，最大量值基本一致，而下部沉降相差较大。心墙底部695m高程处观测得到的最大沉降为15cm左右，而计算得到的只有5cm。分析认为该高程距离混凝土垫板只有2.61m，压缩15cm，相当于总高度的6%左右，可能偏大了。认为该处的观测资料不太可信，不作为对比依据。

另外，对比下游堆石体沉降值发现，计算得到的沉降值在上排位置处在5～20cm之间，与原型观测基本一致；而计算得到的下排沉降值在5～15cm之间，原型观测得到的值为15～30cm，两者相差较大。鉴于原型观测与数值计算不可能完全相符，只要心墙、反滤层和过渡层沉降基本相符即可反映坝体的主要方面，因此认为反演参数基本合理。

同时对计算土压力和实测值进行对比发现，计算得到的心墙底部土压力在800kPa左右，而观测得到的值也基本在这个范围内，因此认为两者基本相符。

综上认为，反演得到的参数表符合坝体运行实际，可以作为计算参数。

Inversion calculation of dam body stress-strain parameters in Zhangfeng Reservoir

JIA Huipeng
（Shanxi Zhangfeng Reservoir Construction Administration，Jincheng 048215，China）

Abstract：The dam prototype settlement observation data of Zhangfeng Reservoir is further analyzed firstly in the paper，which are rearranged according to the concept of comparing with numerical calculation；then，numerical calculation model is established，initial parameters are adopted for deformation field calculation under each stage conditions in the dam.The calculated results are compared with prototype observation data.Optimization method is adopted for adjusting parameters if they are not consistent until the calculated results are basically consistent with prototype observation data.

Key words：Zhangfeng Reservoir；dam body；stress-strain；parameter inversion

DOI：10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.03.013

中图分类号：TV16

文献标识码：A

文章编号：1673-8241（2016）03-0053-05