石头峡面板堆石坝应力变形分析

王开拓 罗永全

(1.青海民族大学，青海 西宁 810007；2.青海引大济湟水电建设有限公司，青海 西宁 810000)

石头峡面板堆石坝应力变形分析

王开拓1罗永全2

(1.青海民族大学，青海 西宁 810007；2.青海引大济湟水电建设有限公司，青海 西宁 810000)

本文运用单元生死、荷载步、荷载子步的联合设置，采用分级加载来模拟面板堆石坝逐层填筑的施工过程，对青海省石头峡水电站面板堆石坝进行仿真模拟分析，得到了坝体在竣工期、一期蓄水期与运行期的应力变形特性。结果表明，坝体应力变形满足安全要求，对石头峡面板堆石坝的后期建设和坝体内部观测具有一定的参考价值。

面板堆石坝；应力变形；分析

1 工程概况

石头峡水电站位于青海省东北部的门源县苏吉滩乡，是大通河流域水利水电规划13个梯级中的第5座梯级水电站，也是青海省十二五规划重点项目“引大济湟”工程的龙头电站。主要建筑物包括拦河坝、溢洪道、导流泄洪洞、引水发电系统等。坝型为混凝土面板堆石坝，坝顶长度为424m，坝顶高程为3091.30m，坝顶宽为10m，防浪墙顶高程为3092.80m，最大坝高为114.5m，上游坝坡为1∶1.4，下游坝坡为1∶1.3。面板为不等厚结构，顶部宽度为0.4m，底部宽度为0.6m，中间直线过渡。正常蓄水位3086.00m，设计洪水位3087.02m，校核洪水位3088.54m，死水位3035.00m。石头峡水电站工程是一座以供水、发电为主，兼顾防洪的Ⅱ等大(2)型工程。该工程2008年7月开工建设；2014年12月2日，顺利通过了一期下闸蓄水验收；12月10日，顺利完成下闸蓄水；2016年8月6日，首台机组并网发电，标志着该工程正式建成并投入运行。

2 计算参数与模型

2.1 坝体材料参数

石头峡面板堆石坝自上游至下游将坝体材料依次分为混凝土趾板与面板、垫层料区、过渡料区、主堆石料区、主堆砂砾石料区和次堆石料区等6个不同料区(见图1)。由于各料区材料特性不同，因此，采用不同材料参数分区模拟[1]，其中垫层料区、过渡料区、主堆石料区、主堆砂砾石料区和次堆石料区等均采用非线性邓肯张E-B模型计算，依据《青海省石头峡水电站工程混凝土面板堆石坝筑坝材料试验报告》确定坝体各料区的计算参数(见表1)。基岩、面板和趾板等结构均采用线弹性模型模拟。面板、趾板均采用C30混凝土，弹性模量为3×104MPa，泊松比为0.17；基岩的弹性模量为2.5×104MPa，泊松比为0.20。

图1 石头峡面板堆石坝坝体标准断面

材 料γ/(kN/m3)KKurnRfKbmφΔφ垫层料22.583524000.3860.696080.36854.110.8过渡料22.487320000.3950.658190.03750.95.4主堆石料21.087520000.0370.76784-0.24738.010.0主堆砂砾石料22.487320000.3950.658190.03750.95.4次堆石料21.087520000.0370.76784-0.24738.010.0

注Rf为破坏比；K弹性模数；n弹性模量指数；Kb为体积模量数；m体积模量指数；Kur为卸荷弹性模量数。

2.2 坝体计算模型

根据石头峡面板堆石坝的设计资料，分析其结构特点，对坝体部分进行了合理简化，建立有限元模型：划分坝体单元时沿着坝体高度方向将坝体划分为13层。面板与垫层之间采用面面接触单元以模拟接触特性，对模型进行网格划分，面板采用四边形映射网格划分，除过渡料区采用三角形自由网格划分外，坝体网格均采用映射网格划分，堆石最后一层填筑部分采用三角形网格，其他均采用四边形网格。坝体共剖分单元网格3574个，结点10978个(见图2)。

2.3 计算方案

在混凝土面板堆石坝有限元分析中，施工荷载的模拟是很重要的[2]。它体现了结构体本身随施工过程的变化，从而更好地反映材料的非线性，使计算结果更符合实际，采用增量法逐级施加的方式施加荷载[3]。仿真计算中模拟了坝体的实际填筑施工步骤，坝体填筑分为13层，作为前13个荷载步，通过设置网格单元的生死来控制；面板浇注作为第14个荷载步；水库蓄水，施加水压力等荷载作为第15个荷载步。

图2 石头峡面板堆石坝有限元网格

分析计算时考虑以下三种工况：ⓐ工况一(竣工期)：坝体填筑至坝顶高程，上下游均无水；ⓑ工况二(一期蓄水期)：一期面板混凝土浇筑至3055.00m，水库蓄水位为3035.00m，蓄水高度为58m；ⓒ工况三(运行期)：二期面板混凝土浇筑完成，水库蓄水位为3086.00m，蓄水高度为109m，坝后引水式电站正式投入运行。

3 坝体计算结果及分析

在计算分析成果的整理中主要给出了坝体在竣工期、一期蓄水期和运行期的应力、变形分布规律。水平坐标以趾板顶面与面板上游面的交线为原点，水平位移以指向下游为正，竖向位移以向上为正，应力以拉为正，其余为负值。

3.1 坝体的变形特性

坝体在竣工期、一期蓄水期和运行期的水平位移和竖向位移云图见图3～图8，各计算工况下坝体变形特性对比见表2。

图3 竣工期水平位移云图(单位：m)

图4 竣工期竖向位移云图(单位：m)

图5 一期蓄水期水平位移云图(单位：m)

图6 一期蓄水期竖向位移云图(单位：m)

图7 运行期水平位移云图(单位：m)

图8 运行期竖向位移云图(单位：m)

由图3～图8和表2可知，石头峡面板堆石坝坝体的变形特性表现在以下几个方面：

面板堆石坝因大规模堆石体的变形而产生的裂缝、沉降等问题，使高坝沉降观测成为一个重要的课题[4]。从石头峡堆石面板坝各计算工况下的变形特性可得出，坝体最大沉降点均处于坝轴线位置约1/2坝高处，随着坝体由竣工期进入到正常运行期，沉降也逐渐趋于稳定，坝体的总沉降量及最大沉降比与同类型的面板堆石坝相比较小，说明该坝坝体材料岩性较硬、压缩性较小。

表2 各计算工况下坝体变形特性对比

坝体一期蓄水期的最大沉降量较竣工期略小，原因是处于竣工期的坝体下部会受上部堆石体沉降挤压的效应，在水平方向会产生较大位移，最大沉降量也较大；而在一期蓄水期坝体将会受到上游水压力等荷载的作用，从而减小了坝体下部偏向上游的水平位移，并且对沉降的堆石体起到了一定的支撑作用，这种支撑作用抵消甚至超过了由于水压力而造成的坝体进一步的沉降。

坝体竣工期水平位移的变化基本上呈对称状，以坝轴线为界限，上游坝体偏向上游方向发生水平位移，下游坝体偏向下游方向发生水平位移，并且距离坝体上下游表面越近相应的水平位移越大；而坝体在蓄水运行后，在库区水压力等荷载的作用下水平位移整体偏向下游，特别是库水位达到3086.00m时，坝体偏向上游的最大水平位移减小至1.49cm，较竣工期有明显的减小。说明随着库水位逐渐升高，坝体偏向上游的水平位移会由于水压力等荷载的抵消作用而大幅度减小，并引起坝体偏向下游水平位移有所增加。但随着坝体内部沉降的逐渐稳定，水平位移也会逐渐趋于稳定。

3.2 坝体的应力分布分析

坝体在竣工期、一期蓄水期和运行期的第一、第三主应力与等效应力云图见图9～图17。各计算工况下坝体应力对比见表3。

图9 竣工期第一主应力云图(单位：Pa)

图10 竣工期第三主应力云图(单位：Pa)

图11 竣工期等效应力云图(单位：Pa)

图12 一期蓄水期第一主应力云图(单位：Pa)

图13 一期蓄水期第三主应力云图(单位：Pa)

图14 一期蓄水期等效应力云图(单位：Pa)

图15 运行期第一主应力云图(单位：Pa)

图16 运行期第三主应力云图(单位：Pa)

图17 运行期等效应力云图(单位：Pa)

工 况第一主应力/MPa第三主应力/MPa等效应力/MPa最大值最小值最大值最小值最大值最小值竣工期0.10-1.03-0.0066-1.960.970.0061一期蓄水期0.29-1.030.0200-1.960.970.0065运行期0.96-1.080.1200-2.041.070.0096

注 表中“-”表示压应力。

由图9～图17和表3可知，石头峡面板堆石坝坝体应力分布具有以下特点：

竣工期和一期蓄水期坝体大、小主应力的最大值均出现在坝中线与基岩面的交点处；水库进入一期蓄水后，坝体的大主应力在垫层料区和过渡料区较竣工期均有所增加，但蓄水作用对坝体大主应力的分布影响相对较小；根据一期蓄水期的坝体小主应力的分布规律，可以得出一期蓄水期坝体由于水压力等荷载的作用，坝体垫层料区、过渡料区以及部分上游主堆石料区的小主应力有较为明显的增加。

由于坝体从施工期到竣工期主要受到自重的影响，坝体基本上处于受压状态，最大压应力为1.96MPa。坝体从竣工期到一期蓄水期，随着库水位逐步上升坝体的应力变化不大，坝体的最大第一主应力值从0.10MPa增大到0.29MPa。当坝体进入运行期，库水位达到3086.00m时，坝体受坝体自重与水压力等荷载的共同作用，最大压应力值为2.04MPa，最大拉应力值增大到0.96MPa。

坝体等效应力总体上是从坝中线底部沿着坝顶及两侧方向逐渐减小，最大压应力值均出现在坝中线底部，从竣工期进入到运行期后，坝体最大应力值从0.97MPa增大到1.07MPa，应力的变化范围较小，应力分布较为均匀。

4 结 语

从石头峡面板堆石坝坝体应力和变形特征可以得出，坝体应力和变形分布规律与其他面板堆石坝工程基本类似，数值均在规范规定范围之内。

在竣工期由于堆石体的自重作用产生较大沉降，一期蓄水时水压力较小，使得堆石体沉降略有减小，正常运行时水压力增大，沉降量逐渐增大；两侧坝体由于上部堆石沉降而受挤压产生了水平位移，与竣工期相比，运行期坝体偏向上游的水平位移受到水压力的抵消作用而大幅度减小，并引起坝体偏向下游的水平位移有所增加。

坝体的应力随着坝体填筑升高和蓄水运行的过程而逐渐增大，坝体主应力分布及变化符合一般规律，最大压应力和等效应力点均处于坝中线底部，由于水压力等荷载的作用会引起坝轴线上游的坝体应力增量比下游大。在库水位的作用下，坝体拉应力主要集中在面板与趾板的交界处，应力方向接近顺坡方向，主要是由于面板与趾板的交界点会受到地基的约束引起。根据石头峡面板堆石坝采用两期面板浇筑的过程，可以看出在面板中部设置平行于坝轴线的永久伸缩缝，可以改善混凝土面板的应力状况，会大幅减小面板底部的拉应力。

在石头峡水电站工程建设过程中，大坝安全监测和资料分析存在测值不符合规律、坝体变形处于失察状态，因此针对石头峡面板堆石坝进行应力与变形的数值分析就显得十分必要，对石头峡面板堆石坝的后期运行和坝体内部观测具有一定的指导意义和参考价值。

[1] 黄劲松,朱晓玲,潘超.混凝土面板堆石坝应力变形有限元分析[J].中国农村水利水电,2005(10):40-43.

[2] 洪镝,刘超,张嘎.积石峡面板堆石坝应力变形分析[J].水力发电,2011(11):15-17.

[3] 刘萌成,高玉峰,黄晓明.考虑强度非线性的堆石料弹塑性本构模型研究[J].岩土工程学报,2005(3):294-298.

[4] 张鹏举,赵国荣.概率统计方法在水库面板堆石坝沉降监测中的应用[J].中国水能及电气化,2013(7):51-55.

Analysis on Stress-deformation of Shitouxia Slab Rockfill Dam

WANG Kaituo1, LUO Yongquan2

(1.QinghaiNationalitiesUniversity,Xining810007,China;2.QinghaiYindajihuangHydropowerConstructionCo.,Ltd.,Xining810000,China)

In this paper, with the combination settings of Element Birth and Death, Load Step and Load Substep, and by adopting stepping loading to simulate the layer-by-layer filling construction process of slab rockfill dam, a simulation analysis is made on the slab rockfill dam of Qinghai Shitouxia hydropower station and the stress deformation characteristics of dam body are obtained in completion period, Phase-I storage period and running period. Results show that stress deformation of dam body meets safety requirements and they have a certain reference value for late construction of Shitouxia slab rockfill dam and internal observation of dam body.

slab rockfill dam; stress deformation; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.01.013

TV641.43

A

1673-8241(2017)01- 0043- 06