基于参数反演法面板堆石坝蓄水初期应力应变分析

韩 勇

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

1 工程概况

水布垭面板堆石坝位于湖北省恩施州巴东县境内的清江中游河段，是清江干流三级开发的龙头水利工程，具有发电和防洪等综合效益。水布垭坝址上距恩施市117 km，下距清江第二梯级隔河岩电站92 km。水库的正常蓄水位高程400 m，大坝坝型为混凝土面板堆石坝，坝顶高程409 m，最大坝高233 m，最大坝前作用水头222 m，其坝高和坝前水头在国内外同类型的已建和在建大坝中居首位。左岸溢洪道最大下泄流量为18 280 m3/s，相应单宽流量204 m3/(s·m)。右岸引水式地下电站装机4台，总装机容量1 840 MW，年平均发电量39.84×108kW·h。

2 数值计算模型

选取水布垭混凝土面板堆石坝三维数值计算区域包含坝体周围山体和组成坝体的面板、挤压边墙、垫层料、过渡料、主堆石料、次堆石料、下游堆石料，材料分区见图1。三维网格主要采用八节点六面体等参元，为了适应基岩不规则边界，局部将六面体单元退化为五面体甚至四面体单元，大坝的三维计算模型有限元网格见图2和图3。计算域的底部边界为固定约束，前后两侧及左右两侧采用法向约束。

图1 水布垭面板堆石坝坝体材料分区图

图2 整体三维计算模型网格图

图3 坝体三维计算模型网格图

3 样本构造

为了反演坝体在施工期间各堆石体材料的变形参数，本文以坝体施工期的变形实测值为依据，对坝体填筑堆石料(垫层、过渡层、主堆石和次堆石4种填料)的变形参数(K、n、Rf、Kb、m和Kur6个参数)共24个进行反演。由于坝体变形对堆石料(垫层、过渡层、主堆石、次堆石料和下游堆石料5种填料)、挤压边墙、趾板和面板的凝聚力c和摩擦角Ф不敏感，因此不参与反演。另外，大坝的变形主要受控于堆石体的变形，因此挤压边墙、面板和趾板的弹性模量、面板间接触水平缝、面板间接触垂直缝、面板与趾板间周边缝的各变形和强度参数均不参与反演。鉴于水布垭面板堆石坝堆石体Rf的变化较小，且都在0.8左右变动；同时下游堆石料与主堆石料的参数相同，各堆石体变形参数m的差别很小，因此参与反演的堆石料(垫层、过渡层、主堆石、次堆石料)变形参数为K、n和Kb共12个参数，它们取值范围分别为K=700～1 300、n=0.2～0.6和Kb=300～900。各堆石料的取值范围见表1，参与反演各堆石料变形参数取值水平见表2。

表1 参与反演的各堆石料变形参数取值范围及参数m取值

表2 参与反演的各堆石料变形参数取值水平

4 堆石体变形参数反演结果

1) 数据的预处理：首先将样本的数据进行标准化为[0.1，0.9]的区间数据，它的标准化算法如下：

2) 最优神经网络模型的搜索。所用的检验误差函数如下：

式中：fi(X)为样本i(i=1，…，n)的网络输出；ui为样本i的期望输出；n为所检验样本的总个数。

通过采用遗传算法来进行搜索可以得出，当神经网络结构为12-38-17-3时，经过18 970次学习后，可以得到最佳的预测效果。此时的学习误差是0.003 244，测试误差是0.007 2。大坝内布置的各监测点处垂直方向的位移值，可以通过用网络模型替代位移反分析迭代优化过程中的正向计算来获得。

3) 借助神经网络-遗传优化算法，可以在指定范围内来进行搜索和计算，从而得出大坝堆石体的最优变形参数。坝体各堆石体变形参数反演结果见表3。

表3 堆石体变形参数反演结果

5 坝体初期蓄水结束时应力应变计算分析

5.1 应力计算分析

1) 堆石体应力。蓄水结束时，坝体的最大应力出现在坝底中部略偏上游。其中，坝体第一主应力最大值约为3.90 MPa(图4)，第一主应力的大小随坝体表面距离增大而增大；第三主应力最大值为5.80 MPa(图5)，第三主应力的大小亦随坝体表面距离增大而增大。

图4 坝体第一主应力分布图(MPa)

图5 坝体第三主应力分布图(MPa)

2) 面板应力。蓄水结束时，面板坝轴向压应力的最大值出现在高程340～400 m的范围内。面板大部分区域受压，压应力范围为0～0.2 MPa；两岸坝肩部位受拉，拉应力最大值为1.0 MPa左右，但拉应力范围很小；在两岸岸坡变化较大处出现了小范围的拉应力区，最大值达1.0 MPa。见图6。

蓄水结束时，面板顺坡向应力大部分为压应力，压力大小范围在0～2.1 MPa之间，最大压应力达2.1 MPa，主要集中在两岸坝肩且高程为340 m以上的面板上。面板拉应力主要集中在坝基附近的面板处，最大拉应力为1.7 MPa。见图7。面板坝轴向和顺坡向拉应力和压应力的极值见表4。

图6 面板坝轴向应力分布图(MPa)

图7 面板顺河向应力分布图(MPa)

表4 应力极值 /MPa

5.2 位移计算分析

1) 堆石体变形。蓄水结束时，坝体最大的坝轴向位移为0.50 m，位于坝体顶部且略靠近下游侧(图8)；顺河向位移最大值为0.8 m，位于坝体顶部且略靠近下游侧(图9)；坝体沉降位移最大值为2.40 m，位于坝体中上部偏下游的位置(图10)。蓄水结束时堆石体变形极值见表5。

图8 坝体坝轴向位移分布图(mm)

图9 坝体顺河向位移分布图

图10 坝体竖向位移分布图(mm)

表5 位移极值 /mm

2) 面板变形。蓄水结束时，坝体最大的坝轴向位移为100 mm，位于坝体左岸底部且靠近坝底(图11)；顺河向位移最大值为1 900 mm，位于高程340～400 m之间的区域，且靠近左岸(图12)；面板沉降位移最大值为1 400 mm，位于坝体中下一期面板上(图13)。竣工时面板变形极值见表6。

图11 面板坝轴向位移分布图(mm)

图12 面板顺河向位移分布图(mm)

图13 面板竖向位移分布图(mm)

表6 位移极值 /mm

3) 缝的变形。初期蓄水结束时，河床部位的垂直缝是压缝，靠近两岸坝肩的部位是拉缝，最大张拉值达10.3 mm，出现在右岸坝肩处。面板顺坡向横剪变形主要发生在340.0 m高程以下面板之间，量值在0～3.7 mm范围；面板法向竖剪变形大多数部位接近于零，仅在靠近基岩的面板底部存在部分变形，剪切最大值为31.8 mm，最大沉降值为20.2 mm。初期蓄水结束后，面板垂直缝的拉压变形具体分布见图14。.

图14 面板竖缝张开值分布图(mm)

初期蓄水结束时，周边缝的张开位移最大值为10.2 mm，发生在左岸较陡的坝肩位置，其余部位张开位移一般为1～4.0 mm；剪切位移最大值为30.0 mm，发生在右岸一期面板对应的周边缝位置，其余部位的剪切位移为0～20 mm，最大沉降值为21.2 mm。大坝竣工后面板周边缝的张开变形、垂直剖面方向的沉陷变形、沿周边缝切向的剪切错动变形具体分布见图15～图17。

图15 面板周边缝张开值分布图(mm)

图16 面板周边缝沉陷值分布图(mm)

图17 面板周边缝剪切值分布图(mm)

6 结 论

6.1 堆石体应力与变形分析

通过对坝体在初期蓄水结束时应力应变计算结果分析，大坝蓄水结束时坝体的最大应力出现在坝底中部略偏上游。其中，坝体第一主应力最大值约为3.90 MPa，第一主应力值的大小随坝体表面距离增大而增大；第三主应力最大值为5.80 MPa，第三主应力的大小亦随坝体表面距离增大而增大。

大坝蓄水结束时，坝体最大的坝轴向位移为0.50 m，位于坝体顶部且略靠近下游侧；顺河向位移最大值为0.8 m，位于坝体顶部且略靠近下游侧；坝体沉降位移最大值为2.40 m，位于坝体中上部偏下游的位置。

6.2 面板应力与变形分析

通过对坝体在初期蓄水结束时应力应变计算结果分析，蓄水结束时面板坝轴向压应力的最大值出现在高程340～400 m的范围内，面板大部分区域受压，压应力范围为0～0.2 MPa；两岸坝肩部位受拉，拉应力最大值为1.0 MPa左右，但拉应力范围很小；在两岸岸坡变化较大处出现了小范围的拉应力区，最大值达1.0 MPa。大坝蓄水结束时，面板顺坡向应力大部分为压应力，压力大小范围在0～2.1 MPa之间，最大压应力达2.1 MPa，主要集中在两岸坝肩且高程为340 m以上的面板上。面板拉应力主要集中在坝基附近的面板处，最大拉应力为1.7 MPa。

蓄水结束时，坝体最大的坝轴向位移为100 mm，位于坝体左岸底部且靠近坝底；顺河向位移最大值为1 900 mm，位于高程340～400 m之间的区域，且靠近左岸；面板沉降位移最大值为1 400 mm，位于坝体中下一期面板上。

6.3 缝的变形分析

通过对坝体在初期蓄水结束时应力应变计算结果分析，初期蓄水结束后河床部位的垂直缝是压缝，靠近两岸坝肩的部位是拉缝，最大张拉值达10.8 mm，出现在右岸坝肩处。面板顺坡向横剪变形主要发生在340.0 m高程以下面板之间，量值在0～3.7 mm范围；面板法向竖剪变形大多数部位接近于零，仅在靠近基岩的面板底部存在部分变形，剪切最大值为25.7 mm，沉降最大值为30.2 mm。

初期蓄水结束时，周边缝的张开位移最大值为10.2 mm，发生在左岸较陡的坝肩位置，其余部位张开位移一般为1～4.0 mm；剪切位移最大值为30 mm，发生在右岸一期面板对应的周边缝位置，其余部位的剪切位移为0～20 mm，最大沉降值为21.2 mm。