基于原型沉降监测资料的面板坝正反分析研究

周鹤翔

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

基于原型沉降监测资料的面板坝正反分析研究

周鹤翔

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

利用公伯峡水电站原型观测资料反演面板坝的土体材料参数，获得新的材料参数。将新参数代入模型，结果表明反演参数能较为真实地反映大坝运行性状。通过对比反演参数和试验参数，对各分区材料设计施工进行了评价。分析了大坝各堆石区材料特性、施工质量，为面板堆石坝堆石体设计施工提供一定的参考依据。关键词：有限元；反演；面板堆石坝；DuncanE-B

0 前 言

近年来，对土体本构模型和反演方法的研究已相当成熟[1-3]。利用原型观测资料反演面板坝的土体材料参数逐渐成为对面板坝工作性状进行安全性评价的重要手段之一[4-6]。通过原型观测资料反演获得的堆石体材料本构模型参数更为合理，应用其建立的模型计算成果能更准确地判断大坝实际运行性状，从而评价大坝设计、施工质量，分析大坝分区、级配合理性；同时，也能为今后类似工程设计提供参考依据[7-9]。

1 Duncan E-B模型

DuncanE-B模型[10-12]是Duncan将DuncanE-ν[13]模型中切线泊松比用切线体积模量[14]代替而提出的。

E-B模型主要包括切线变形模量Et和体积模量Bt，这2个参数均随着应力状态变化而变化，表达式如下：

(1)

(2)

其中：

式中：Et为切线弹性模量；Rf为破坏比；c、φ为土体材料的凝聚力和内摩擦角；S为应力水平；pa为大气压；K为初始变形模量的基数；n反映变形模量随σ3增长的关系；Kb为K的基数；m反映K随σ3增长的速率。

以上公式适用于土体的加载过程，对于卸荷过程有如式(3)：

图1 公伯峡面板坝筑坝材料分区示意图

(3)

卸载再加载条件为

S

式中：Eur为卸荷弹性模量；Kur=(1.2～3.0)K(对于密砂和硬黏土，Kur=1.2K;对于松砂和软土,Kur=3.0K；一般土质介于其中)；nur与加载过程中n大致相同；(σ1-σ3)0为历史上曾经达到的最大偏应力；S0为历史上曾经达到的最大变应力水平，当满足卸载再加载条件时用回弹模量Eur。

2 反演分析方法

(5)

最后选择合适的优化方法，使F(x)快速、稳定、唯一地收敛于最小值F(x*)，

(6)

式中：x*是最终反分析的结果，即反分析所得的“真值”。

优化计算采用网格法[18-21]。网格法是在设计参数的界限区内划分网格；利用正分析模型计算各网格点的目标函数值，并找出目标函数值最小的网格点；在该点附近重新划定较小的界限区，重复以上求解过程；多次重复以上步骤直到求解精度满足要求。

3 公伯峡面板坝堆石体参数反演分析

3.1 工程概况

黄河公伯峡水电站为Ⅰ等大(1)型。大坝为河床钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高132.20 m，坝顶长度429.0 m。混凝土面板上游坝坡1∶1.4；下游坝坡1∶1.5～1∶1.3。大坝材料分区见图1。

3.2 正分析

3.2.1 有限元模型

笔者选取大坝最大断面(坝左0+130.00 m)建立二维模型，建模结果如图2所示。

图2 公伯峡面板坝有限元模型图

3.2.2 计算参数

公伯峡面板堆石坝DuncanE-B模型参数是根据南京水科院提供的室内常规三轴试验确定的，各个参数值见表1。

表1 试验得到Duncan E-B模型参数表

3.2.3 边界条件荷载的施加及施工过程的模拟

模型按二维平面问题考虑，计算时对模型的底边施加全约束。

为模拟堆石体分层碾压过程，在有限元分析中模型加载共分15个分析步，分别模拟面板堆石坝15级填筑过程。

3.2.4 正分析有计算成果

选取由三轴试验得到的本构模型参数对公伯峡面板堆石坝进行了有限元静力计算。计算过程模拟堆石体分层填筑施工过程，得到大坝填筑完成后有限元位移计算成果，其中竖向位移以向上为正，向下为负；水平位移向下游为正,向上游为负。有限元计算结果如图3、4所示：

图3 坝体填筑完成后沉降云图

图4 坝体填筑完成后水平方向位移云图

由图3、4知，最大沉降发生在3BⅡ区和3C区之间的1/2坝高处，位置偏向下游；上游坝体出现向上游方向水平位移，最大位移发生在1/4坝高处；下游坝体出现向下游方向水平位移，最大位移发生在次堆石区(3C)1/3坝高处。坝体变形符合蓄水前大坝水平位移规律。

正分析是建立在由室内三轴试验得到的本构模型参数的基础上，其有限元计算结果和实测数据有明显差异，如图5、6所示。

图5 es1有限元正分析结果与实测结果对比图

3.3 反演分析

3.3.1 反演参数的选择

在E-B模型c、φ0、Δφ、K、Kur、n、Rf、Kb、m九个参数中，c、φ0、Δφ易于由实验获得，实验技术成熟，且离散性小，故可直接将试验结果作为真值；Rf>0.7时敏感性下降，本工程Rf均超过0.7，故不作为反演参数；由土工原理基本理论知道Kur=(1.2～3.0)K，考虑到模拟过程主要为加载过程，Kur对位移基本没有影响，所以不予以考虑；除以上参数外还有K、Kb、m、n四个参数均对变形有一定影响[4-5]。

图6 es2有限元正分析结果与实测结果对比图

对以上参数进行了敏感性分析。分析结果如图7所示。

图7 各参数敏感性对比图

由图7知，对大坝竖向沉降影响最大的是Kb，其次对面板堆石坝沉降影响较大的是K，n对沉降的影响比较小，m对沉降几乎没有明显的影响。为了简化计算，确保反演参数的精确度，笔者选择对以上4个参数均进行反演，而确定参数的过程中主要考虑K、Kb两个参数。

3.3.2 原型观测资料

监测资料采用2004年4月大坝沉降期后坝左0+130.00 m断面es1、es2电磁沉降监测数据。

原始沉降资料包含坝基变形引起的沉降，而正分析模型中未考虑坝基变形影响。因此，本文按照每一分层填筑方量的比例，将坝基测得总沉降分配到不同填筑期，从而去除每一测点数据中由该层及其以上填筑层所引起的坝基沉降。校正结果如图8、9所示。

图8 es1校正前后实测值累计沉降对比图

图9 es2校正前后实测值累计沉降对比图

3.3.3 反演成果分析

反演分析成果如表2所示。

表2 室内试验参数与反演参数对比表

将反演参数代入有限元正运算进行计算，计算结果如图10、11所示。

图10 反馈分析大坝沉降云图

由图10、11知，大坝最大沉降发生在大坝下游侧1/3～1/2坝高处，水平向最大位移发生在大坝1/3坝高附近，上游侧坝体位移向上游侧，下游侧坝体位移向下游侧，计算结果符合面板坝填筑完成后变形规律。

图11 反馈分析大坝水平位移云图

反演所得3BⅡ砂砾石料参数K和Kb分别为 2511 和 2170，明显大于试验参数。分析反演所用原始监测数据发现：大坝沉降主要发生在3BⅠ1和3BⅠ2料填筑区域， 3BⅡ区填筑的砂砾石料实测沉降在总沉降中所占比例明显小于3BⅠ1和3BⅠ2料填筑区域。故反演分析所得3BⅡ区参数较大。

将实测数据、反演参数正分析结果及利用试验参数正分析结果三者进行对比，如图12、13所示。

图12 反演结果对比图(es1测管)

图13 反演结果对比图(es2测管)

由图12、13可以看出，反演计算所得参数有限元计算结果同实测位移基本一致，相较试验参数能更好地反映大坝填筑完成后沉降情况。说明反演参数结果可靠。

对比反演分析获得参数与室内常规三轴试验参数发现：反演得到的模型参数均显著的大于由实验室试验得到的参数。分析认为造成该结果主要受以下因素影响：

(1) 设计中，大坝分区设计合理，填筑料级配选择得当；实际施工中，3BⅡ区填筑材料优异，坝体碾压施工质量较好。

(2) 大坝在填筑施工中未采用洒水等加快施工期沉降的措施，堆石体在填筑完成后沉降实测值较小，这与蓄水初期大坝出现进一步沉降实际相符[22-23]。

(3) 正分析建模采用的二维有限元模型，计算结果相对保守。在此模型基础上进行反演，使获得参数偏大[24-27]。

4 结 语

通过在公伯峡面板堆石坝工程实践中运用土体本构模型和反演方法的研究，得到以下几点认识:

(1) 利用室内试验土体参数在二维有限元基础上计算的大坝位移，与实际位移存在较明显差距。这种差距主要是由试验室参数与工程实际参数存在差距及二维有限元计算成果较为保守等因素造成的。因此在利用二维平面有限元分析大坝运行情况时，对本构模型参数的反演是十分必要的。

(2) 通过对土体本构模型参数的敏感性分析发现，对大坝竖向沉降影响最大的是Kb，其次是K，n对沉降的影响比较小，m对沉降几乎没有明显的影响。

(3) 利用反演参数正分析得到的堆石体变形规律与实测变形规律基本一致，通过反演获得的参数能更加准确地反映公伯峡面板坝变形规律。为评价大坝设计、施工质量，分析大坝分区、级配合理性提供准确依据。

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Analysis and Study on CFRD Inversion Based on Prototype Settlement Monitoring Data

ZHOU Hexiang

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

By application of the prototype monitoring data of Gongboxia Hydropower Station, parameters of soil materials of CFRD is derived from inversion, Accordingly, new material parameters are obtained. The new data are substituted in the model. It presents that the inversion parameters can truly reflect the dam operation characters. Through comparison of the inversion parameters and the test parameters, design and construction of materials in zones are evaluated. Material characteristics and construction quality of rock fill zones are analyzed. This provides design and construction of CFRD rockfill mass with reference. Key words:finite element; inversion; CFRD; DuncanE-B

1006—2610(2016)06—0085—05

2016-11-25

周鹤翔(1988- )，男，山东省菏泽市人，助理工程师，从事水电工程设计、工程安全监测工作.

P642.4;TP391.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.022