基于材料渗变效应的面板堆石坝有限元分析

李 婧，张宪彪

(大兴安岭地区行署水务局,黑龙江 大兴安岭 165000)

基于材料渗变效应的面板堆石坝有限元分析

李 婧，张宪彪

(大兴安岭地区行署水务局,黑龙江 大兴安岭 165000)

面板坝是大坝设计中较普遍的一种坝型，它适应性强，抗震性好，随着砂砾石和软岩等新型材料的应用，合理的控制设计具有及其重要的意义。文章在研究面板砂砾石坝受渗流变形影响的基础上，对坝体进行三维有限元计算分析，对坝体在不同工况下的应变趋势进行总结。本次研究先结合已建的部分工程实例，通过不同高度的坝体对比研究，证明流变效应的存在及影响，在此基础上对比选出较准确的砂砾石料流变模型参数，并探索在有限元程序中实现的方法，对此类高面板坝的设计具有一定的指导意义。

面板堆石坝；材料渗变效应；三维有限元；砂砾石

1 概 述

混凝土面板堆石坝是以堆石料作为坝体填筑材料，防渗体系由混凝土面板、防浪墙、趾板和坝基防渗帷幕构成的一种堆石坝坝型。它具有施工便捷性强、适应性好和安全性高等优点，在当今坝工设计领域上，发展空间极大，竞争优势明显[1]。作为堆石坝的一种新型方法，面板砂砾石坝特点明显，大部分坝体填筑材料就地取材，方便快捷，砂砾石经过振动碾压而成。和堆石材料相比，使用砂砾石料填筑可以充分发挥其材料本身的高变形模量和易压实特性，并且天然状态的砂砾石料其分布也是十分的广泛，因此将其作为主要筑坝材料显而易见在降低开采难度的同时也节约了工程成本和工期。

随着现代的理论水平的提升和筑坝经验不断积累，高坝甚至特高型坝将会主导未来的坝工建设。但是砂砾石料本身也有着渗透性差的特点不容忽视，极易威胁到大坝的安全。故《混凝土面板堆石坝设计规范》中要求在面板砂砾石坝在坝体分区设计中须设置“L”形的强透水体，以便及时排除上游面板和垫层间的渗水，极大程度上降低大坝的浸润线，以此保证大坝的安全运行。

2 面板砂砾石坝渗变效应研究概述

采用非线性弹性或弹塑性方法对面板砂砾石坝的应力变形进行有限元模拟，对于坝高比较低的时候可以得到较为合理的结论，但是随着中国高面板坝的不断兴建，依旧采用这种方法而忽略时间效应对坝体的影响，就可能会致使分析出结果误差比较大，这是因为砂砾石坝的变形包括瞬时变形和与时间有关的流变变形。而后者主要体现在大坝在竣工和蓄水后，填筑料在高应力作用下继续发生破碎、产生相对位移、互相充填密实，并引起坝体内部应力出现重新分布。目前在中国已建的工程中，出现了由于在坝体填筑完后未待填筑料的初期流变完成就浇筑面板，最终导致其面板下方出现不同程度脱空的实例。根据已有的研究，只有在有限元分析中采用与时间有关的流变模型才能较为合理的反应出大坝实测情况[2]。

目前，在面板坝流漏变形的研究方法，其主要是在大量试验基础上构建本构模型关系式来实现，并通过具体工程实例的计算比较，来验证其本构关系建立的合理性。最早对此进行试验研究的是澳大利亚A.K.Parkin，采用固结仪对堆石料进行试验，分析得到沉降速度与时间的关系[3]。最终收集的观测数据离散性很大，使这种检测方法很难得到发展。在90年代沈珠江团队对面板堆石坝垫层料进行大量实验，分析得出体积流变和围压之间的正比关系，以及应变与时间的双曲线关系，因此提出了三参数流变模型。但缺点在于此模型无法真实模拟堆石料的缩尺效应，并且试验时间较大，造成了计算结果不精确。所以基于分区材料的流变效应，当前能够研究出一种较真实贴合现实工程实例的本构模型显得极为重要，同时也是高面板坝特别是特高坝必须解决的研究课题[4]。

3 工程实例一

3.1 工程概况

某面板砂砾石坝位于和田地区的喀拉喀什河上，流域面积1.9×104km2，总库容3.23亿m3，其中调节库容为2.25亿m3。该水利枢纽主要任务为灌溉和防洪，兼具发电，是一座综合性能的大(2)型水利枢纽工程。该大坝正常蓄水位为1962m，电站总装机60MW，多年平均年发电量1.97亿kW·h。坝高133m，坝顶长度为365m，大坝填筑材料主要是砂砾石料为主，上、下游坝坡比为1∶1.6， 1∶1.5，大坝马道呈之字形[5]。大坝坝体典型剖面见图1。坝体的主要分区见表1所示。

图1 面板砂砾石坝的典型剖面图

3.2 计算结果

在某面板砂砾石坝流变效应的有限元模拟中[6]，坝体材料采用七参数的模型，计算过程总共分为40步，其中坝体填筑12步，坝体填筑完成后，面板浇筑6步，坝体蓄水分为3步，其余步数为材料流变。

图2为流变附加节点荷载曲线图，图3为坝体最大沉降点位移曲线图。

图2 流变附加节点荷载历时曲线

由图2可知，在施工期附加节点荷载和坝体填筑高度成指数型正比关系，但当时间到达一定程度，附加节点荷载呈现指数型衰减，在蓄水期后的相当一段时间内，逐渐趋于稳定。

图3 最大沉降点位移历时曲线

从图3得出，面板砂砾石坝的沉降速度随时间变化较快，一定程度上可以缩短工期。同时，坝体的沉降变形一直都存在，无论是在碾压浇筑过程中还是蓄水后。最终达到一稳定值，此图充分体现出材料流变效应的特性以及受渗变的影响程度。

大坝的安全监测系统主要是安装水管式沉降监测仪，分别设置在高程1885.0m，1905.0m，1925.0m，1945.0m；其中在1905.0m和1925.0m处安装水平位移计，以此来监测坝体的水平位移变化；

将有限元计算结果和工程实测数据进行对比，经过对比可得出，考虑材料的流变作用前后，坝体的应变值有不同程度的增大，二考虑渗变效应的计算接近实测结果，见表2。这说明在坝体的有限元分析中，考虑材料流变作用的影响在有限元分析计算是十分必要的。

表2 面板砂砾石坝三维有限元分析成果与运行观测结果对比表

4 工程实例二

4.1 工程概况

某水利枢纽是目前世界上已建最高的面板堆石坝，位于清江干流上，该枢纽工程主要任务为发电为主，兼具灌溉、防洪、等效用。水库总库容45.80亿m3，其中调节库容23.83亿m3，电站总装机容量1600MW，多年平均年发电量39.2亿kW·h[7]。正常蓄水位为400m，该工程规模属于Ⅰ等大(1)型。最大坝高233.0m，坝顶宽度12.0m，坝轴线长660.0m,大坝上、下游坡1∶1.4， 1∶1.25，马道设置为 “之”字形。

坝体按材料分区分为7个填筑区，包括铺盖区，盖重区，垫层区，过渡区，主堆石区，下游堆石区，护坡。各分区见典型剖面如图4所示。

图4 面板堆石坝典型剖面图

4.2 计算结果

本节选用的流变模拟成果试验主要是大型高压三轴仪实现的[8]，计算得出相关结果。现将分析成果列于表3。

表3 面板堆石坝三维有限元计算成果

表3的结算结果反映出坝体应力变形在是否考虑渗变影响下并与工程实测资料对比，其有限元模拟成果能够较准确的支持工程实测数据，基本达到“准确的定性，粗略的定量”，故考虑流变影响贴切工程实际，且对此类工程控制设计具有一定的指导价值[9]。

4.3 运行监测结果

坝体运行观测主要包括对堆石体和面板的应力应变进行监测；面板变形监测主要采用仪器是固定式测斜仪，布设测点在两个监测断面110和190处；堆石体的沉降量采用水管式沉降仪，水平垂直位移利用水平位移计监测，共布设3个监测断面，分别为130、268和3693个典型断面处，最大断面为212，监测结果如图5所示为300m高程的沉降仪曲线测试图。

图6反映了坝高235.0m高程处3个不同测点的沉降情况，其中1测点真实反映了大坝垫层区的变形特征，垫层区的变形大小随着坝体高度的不断增大逐渐趋于稳定。因为此测点处于坝坡处，沉降量前期已趋于稳定，后期的影响不是很大。此结果表明了堆石料的流变特征。而测点9反映了次堆石区的沉降规律，坝体填筑高度的上升变形量增大幅度较为明显，变化曲线呈线性分布。综合以上计算结果得出的沉降分布规律可得出，坝体前期沉降变化主要是填筑料体本身自重和外荷载决定，前期变形规律明显，而后期的变形逐渐趋于稳定，直接证明了材料流变特性的存在。因此从高、低两种面板堆石坝的应力变形有限元结果分析，工程实际中为更加准确的计算大坝的应变情况，考虑材料的流变效应具有十分重要的价值。

图5 条典型水管式沉降仪曲线测试图

图6 三不同测点沉降时间过程曲线

5 结 论

从大量已建面板坝的工程实例运行观测资料分析，坝体的渗变特性对大坝的安全有着很重要的意义，这种随着时间变化产生流变变形在坝工设计中应着重考虑。在高度较低的面板堆石坝坝中，流流变形作用较小，在设计中可以忽视，但是在高面板坝的设计中不能不考虑，堆石料的流变特性不仅对大坝、面板和周边缝的应力变形作用显著。只要是面板堆石坝，这种流变效应就必须考虑在设计之内，同时也能更加真实的反映坝体的应力变形规律。在对高面板坝进行有限元分析时，必须选择适宜的流变本构模型，对各分区材料的特性尤其是的流变特性进行重点研究，并采取适宜的工程措施，这对工程的安全运行以及各技术经济指标的提升具有很重要的指导意义。

[1]中华人民共和国水利部.SL228-98混凝土面板堆石坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[2]蒋国澄,傅志安,凤家骥.混凝土面板坝工程[M].武汉:湖北科学技术出版社,1997：62-74.

[3]蒋国澄.混凝土面板堆石坝进展概述[J].贵州水利发电，1999(13)：6-15.

[4]梁军.高面板堆石坝流变特性研究[D].南京:河海大学,2003.

[5]卢继旺,余亚鹏.200m级面板堆石坝流变分析[J].水电能源科学,2010(4):90-92.

[6]刘小生，王钟宁，汪小刚，等.面板坝大型振动台模型试验与动力分析[M].北京：水利水电出版社，知识产权出版社，2005：26-39.

[7]罗先启，葛修润.混凝土面板堆石坝应力应变分析方法研究[M].北京：中国水利水电出版社，2007：47-68.

[8]周伟,常晓林,胡颖,等.高混凝土面板坝流变分析[J].武汉大学学报(工学版),2005(12):96-99.

[9]蔡新.混凝土面板堆石坝结构分析与优化设计[M].北京：中国水利水电出版社，2005：95-97.

Slab Rock-fill Dam Finite Element Analysis based on Effect of Material Permeability Change

LI Qian and ZHANG Xian-biao

(Daxinganling Prefectural Water Affairs Bureau, Daxinganling 165000, China)

The slab dam is adaptable and resilient and belongs to a common dam type in the dam design. With the application of new materials such as the sandy-gravel and soft-rock, the reasonable control design is of great significance. Based on the research of slab sandy-gravel dam affected by seepage deformation, this paper analyzed the three-dimensional finite elements for the dam body and drew a conclusion for stress tendency under different project situations of the dam body. In combination with partial project cases have been constructed, it is proved that the effect of rheological characteristics exists by comparing the dam bodies in different heights in this paper, quiet correct rheological effect model parameters of sandy gravel are selected and the methods realized in finite element program is explored based on these, which would be significant for designing similar high slab dams.

slab rock-fill dam; effect of material permeability change; three-dimensional finite element; sandy gravel

1007-7596(2017)06-0014-05

2017-05-16

李婧(1969- )，女，吉林怀德人，高级工程师，从事勘测设计工作；张宪彪(1982-)，男，吉林扶余人，工程师，从事勘测设计工作。

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