在流变效应影响下的面板砂砾石坝特性分析

徐 晶

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080)

在流变效应影响下的面板砂砾石坝特性分析

徐 晶

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080)

面板坝具有适应性好，抗震性强等优点，目前在新建和拟建的高坝中占有很大比例，随着砂砾石等材料的上坝，应用范围更为广泛。文章在研究面板砂砾石坝流变影响的基础上，进行防渗面板的有限元分析，总结出应力变形规律，所获成果可以为高面板砂砾石坝的流变效应研究提供必要的理论依据，对类似工程的设计运行具有一定的参考价值。

面板坝；流变效应；有限元分析；应力变形；规律

0 前 言

面板砂砾石坝的特点是大部分填筑料直接取自当地天然材料—砂砾石，并经过振动碾压而成。相比于堆石材料，使用砂砾石料填筑坝体可以充分发挥其材料本身的高变形模量和易压实特性[1]，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在降低开采难度的同时也节约了工程的成本。相比于其他筑坝材料，使用砂砾石填筑面板坝的优越性还是非常明显的，因此随着人们的理论研究水平和筑坝经验不断提升，高坝大库将会成为未来建设的主流趋势。

目前主要是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，在坝高比较低时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，目前，关于面板坝流变效应的研究主要通过建立在试验基础上的本构模型关系式来实现的，并对具体实例进行有限元模拟以验证其本构关系的合理性。目前国内外研究的流变模型基本上都是以三参数流变模型为基础，所不同的是仅对高围压进行了修改。但一般情况下试验时间与真实情况相差比较大，因此从流变效应产生的原理出发，本构模型的选取至关重要。

1 基于流变效应的面板砂砾石坝有限元分析

1.1 流变效应产生原理

我国部分己建面板坝的沉降观测分析，坝体在施工完成后仍会产生一定程度的沉降，其沉降量约为整个坝高的0.1%，经分析研究其中0.05%的沉降量是由填筑料的流变效应所引起的。由于在浇筑混凝土面板时坝体已经压实，则在流变变形作用下面板存在被压碎破坏的风险。

砂砾石料的流变特性从原理上讲十分复杂，主要变形阶段分为外力和流变变形。外力阶段是在碾压作用下填筑料由松散的颗粒状态逐渐转化为密实状态，这个过程中颗粒结构重新组合，孔隙率降低。第二阶段是工程竣工后，大坝随时间效应关系颗粒间相互挤压作用导致结构组合，大坝结构体收到一定程度的影响，最终达到稳定[2]。故流变效应表现为坝体内部颗粒运动组合，进而应力重新组合，最终在一定时间稳定后坝体变形量趋于稳定。

1.2 流变效应研究方法

根据弹塑性力学的理论，材料的应力应变关系完全取决于荷载的施加过程，实际工程中，除了上述影响外还受到材料的应力历史的制约，即为流变特性。填筑料流变效应的性质主要体现以下几种：

1)蠕变(流变)特性，即在保持不变的荷载作用下，材料的变形随时间增长的过程。

2)应力松弛，即在应变不发生改变时，应力随时间衰减的过程。

3)黏滞特性，在一定的时长范围内，材料应变的速度随应力发生改变过程。

4)长期强度，填筑料的相关参数在荷载下随时间增长而发生变化的过程。

填筑料的蠕变性在实际情况中主要由加荷后的瞬时弹性变形和与时间有关的变形组成的。通过三轴压缩、扭转弯曲试验可以得出材料在长期不变荷载作用下的典型蠕变曲线，如图1所示。

图1 典型蠕变曲线

图Ⅰ所示为材料的衰减蠕变曲线，其变形速率随时间t的发展而逐渐减小，最后无限接近于一个稳定值γ∞，其中γ∞的大小与加荷水平、材料本身性质及围压有关。

图Ⅱ所示为材料的非衰减蠕变曲线。试验中材料在初始加荷时即发生一定的瞬时弹性应变γ0，若保持荷载不变，将会得到蠕变曲线，主要包括为3个阶段：

第1阶段：即衰减段(AB段)，其变形速率呈递减趋势。若在E点处突然卸荷，回弹曲线首先会沿着瞬时弹性应变的轨迹(EF段)下降，直至为零，体现出材料的滞弹性。

第2阶段：即稳定蠕变段(BC段)，其变形速率基本保持不变。如果在H处突然卸荷，回弹曲线将会沿HIJ轨迹下降并最终得到一定的永久应变γp。

第3阶段：即加速蠕变段(CD段)，其变形速率呈迅速递增趋势，并最终到达D点处材料产生破坏。本阶段的CP曲线代表材料的塑性继续发展但未破坏。

目前研究成果表明，相同种类的材料，荷载施加大小与稳定蠕变阶段的时间呈反比关系，导致加速蠕变的加快发生。极限应力水平决定材料蠕变类型。

1.3 有限元分析本构模型

砂砾石料的流变作用主要是由于材料间发生破碎和滑移所引起的。材料的流变变形发展还与所处的应力环境密切相关，且变形量随荷载增加呈现出非线性关系，故根据试验建议将材料的最终体积流变量εvf修改成：

(1)

材料最终剪切流变γf修改成：

(2)

经过改进后的模型共计包含α、b、c、d、m1、m2、m3七个参数，故称七参数流变模型[3]。鉴于此模型在实际流变过程中的贴切性，当前研究技术较成熟。因此，文章有限元计算参数模型选用七参数模型。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽位于西北省份的宝库河上，总库容1.94亿m3，电站总装机15MW，工程规模属大(2) 型水利枢纽工程。大坝最大高度为122.6m，总填筑量569万m3，其中砂砾石料约为436万m3，坝顶高程2895.8m，正常蓄水位为2888.2m，坝顶长413m。主要建筑物包括大坝、左岸发电洞、溢洪道以及电站厂房等组成[4]。面板砂砾石坝标准剖面图见图2。

图2面板砂砾石坝标准剖面图

2.2 有限元模型

有限元模拟范围取为：基岩面竖直向下，上、下游到趾板顶端和两岸岸坡基岩面，各取一倍坝高。施加约束：底部基岩面为铰约束，左、右岸坡为法向约束。有限元模型单元结构为六面体八节点单元为主，四面体四节点单元为辅的单元形式。最终进行单元剖分共产生得到单元5763个，节点6835个。

2.3 计算参数

结合类似工程经验，垫层料、过渡料、堆石料区采用邓肯张E-B模型[5]，面板、趾板结构和基岩采用线弹性模型。

表1 大坝填筑料的E-B模型参数

表2 线弹性材料参数

2.4 计算结果

1)不考虑流变效应的混凝土面板在蓄水期的应力变形等值线结果图见图2-5：

图3 蓄水期混凝土面板的水平向位移等值线图

图4 蓄水期混凝土面板的挠度等值线图

图5 蓄水期混凝土面板的顺坡向应力等值线图

图6 蓄水期混凝土面板的坝轴向应力等值线图

由以上计算结果可得出：蓄水期混凝土面板水平位移均趋向面板中部，指向左、右岸的水平值分别为0.043m 和0.034m，最值基本位于上部面板的岸坡位置处；混凝土面板的挠度最大值0.278m，发生于中上部面板处。面板应力分布中顺坡向压应力最值为5.920MPa，大致位于1/3坝高处，拉应力局部存在于面板上部位置处；坝轴向的最大压应力值为7.023MPa，大致位于坝高1/2处，此项应力以压应力为主，局部拉应力产生位置在面板顶部处。

2)考虑流变效应的混凝土面板在蓄水期的应力变形等值线结果图见图6-9：

图7 蓄水期混凝土面板的水平向位移等值线图

图8 蓄水期混凝土面板的挠度等值线图

图9 蓄水期混凝土面板的顺坡向应力等值线图

图10 蓄水期混凝土面板的坝轴向应力等值线图

由以上结果可得知：计入材料的流变影响后，蓄水期混凝土面板的水平位移最大值左、右岸为0.047m和0.046m，相比未考虑流变效应变化幅度不大，表明坝体填筑料已完成流变变形而趋于稳定。面板均沿堆石体向河谷中央滑动，因此需要在两岸岸坡处设置张性垂直缝，在河谷中央处设置压性垂直缝，以防面板破坏。面板的挠度最值为0.322m，大致位于面板的中上位置处，对比得知，挠度相比不考虑流变时增大14.2%。由图3-8可以得知，面板的顺坡向应力以压应力为主，分布趋于扁平变化，最大值为6.225 MPa，对比得知发生位置基本相同，面板顶部处局部产生拉应力分布区；坝轴向压应力最值为7.890 MPa，与不计入渗流效应时位置相似。面板应力的结果趋势和坝轴向位移所呈现的结果是相互对应的。对比得知，蓄水期顺坡向应力的最值比未考虑流变增大13.3%，坝轴向应力增大了19.5%。

通过以上分析认为，面板砂砾石坝的应力变形分析中考虑流变效应的必要性，为防止面板破坏导致大坝安全稳定，在设计工作中需充分考虑材料的流变特性。

3 总 结

文章在材料的流变特性对面板砂砾石坝应力变形规律的影响基础上，介绍了面板砂砾石坝结构静力分析的基本理论和材料本构模型，结合工程实例，运用有限元软件进行流变效应模拟分析，获取在蓄水期面板的应力变形成果。结果表明大坝在计入流变因素后，面板的应力变形量均有不同程度的增加，完成流变变形后逐渐趋于稳定，大坝整体处于比较安全的范围。

[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]梁军.高面板堆石坝流变特性研究[D].南京:河海大学,2003.

[3]何辉.面板堆石坝应力变形特性分析与程序设计[D].天津:天津大学,2005.

[4]李国英,米占宽,傅华,等.混凝土面板堆石坝堆石料流变特性试验研究[J].岩土力学,2004,25(11):1712-1716.

[5]沈珠江,赵魁芝.堆石坝流变变形的反馈分析[J].水利学报,1998(06):1-6.

CharacterAnalysisofSlabSandy-gravelDamimpactedbyRheologicalResponse

XU Jing

(Heilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Project Limited Company,Harbin 150080,China)

Plate dams have the advantages of good adaptability and strong vibration resistance and account for a large proportion in new and proposed dams presently, and will be applied widely with the sandy gravel used on the dam. According to the study on rheological response of face sandy gravel dam, this paper conducts finite element analysis for impervious face slab and gets the law of stress deformation,and the results obtained will provide necessary theoretical accordance for the rheological response from high face slab sandy-gravel dam, meanwhile, having certain reference value for similar project design and operation.

plate dam; rheological response;finite element analysis method;stress deformation; law

TV641.4

B

1007-7596(2017)09-0062-03

文章编号：1007-7596(2017)09-0035-03

2017-08-16

徐晶(1982- )，女，黑龙江齐齐哈尔人，工程师，从事水利工程施工管理工作。