组合型混凝土面板堆石坝应力应变特性分析

王玉孝，沈 婷，李国英

(1. 西安理工大学,陕西西安 710048； 2. 青海黄河上游水电公司工程建设分公司,青海西宁 810008； 3. 南京水利科学研究院，江苏南京 210029)

我国面板堆石坝的建坝水平已达到200 m级，面板坝筑坝技术正在由200 m级向300 m级发展[1-4]。150 m级面板坝技术成熟，大坝安全可靠，坝体实测变形与理论计算基本吻合；200 m级高面板坝技术渐趋成熟，已建200 m级面板坝总体情况良好，虽然不同程度地出现了面板挤压破坏、面板裂缝、坝体变形和渗漏量偏大等问题，但通过适当工程措施后运行良好；而250～300 m级面板坝，由于200 m级面板坝出现的一些问题以及理论研究相对滞后，工程界对其坝体安全性尚存一些质疑[2-5]。

由于200 m级面板坝存在的最突出问题是面板的结构性裂缝和挤压破坏问题[3-4]，为了提高面板安全性，提出了在大坝上游下部设置高混凝土坝与面板堆石坝形成组合坝的研究思路，以期改善高面板坝面板应力状态不佳问题，为面板坝筑坝技术发展提供新思路[6]。

图1 组合型面板堆石坝与常规面板坝Fig.1 Plinth types of combined and conventional rock-fill dams

1 组合型面板坝概况

如图1所示，组合型面板坝是在大坝上游下部设置高混凝土坝，以连接坝基和面板；而常规面板坝则是通过设置厚度在2 m以内的混凝土薄板，即趾板来连接坝基和面板。较之常规面板坝，组合型面板坝增大了混凝土、钢筋工程量，但减小了坝体填筑工程量，降低了趾板岸坡高度，从而减少了底部岸坡趾板开挖量和边坡支护工程量，缩短了面板和接缝长度，减少了深水区面板面积，降低了面板检修难度。目前，虽然在不利地形地质条件时常规面板坝工程也会通过设置高趾墙来弥补地形地质条件的缺陷，但河谷底部深水区内设置的高趾墙高度相对较低，一般不超过40 m，例如新疆吉音面板坝、龙首二级(西流水)面板坝、冰岛Karahnjukar面板坝均通过设置高趾墙修正了下切河槽段的面板体型[7-12]。而组合型面板坝着眼于设置更高混凝土坝与面板一起共同防渗，这种结构型式在不规则地形、陡窄峡谷等不利条件下存在一定技术优势，不过随之也会产生一些其他问题，如高混凝土坝自身的应力和稳定问题、起始面板下堆石体厚度过大导致的面板周边缝剪切变位过大问题等。为论证该结构型式的可行性和适用性，需深入开展其应力变形特性的研究。

本文依托某坝高为150 m的面板坝工程，采用三维非线性有限元方法，全面分析组合型面板坝的应力变形特性及与常规面板坝应力变形特性的差异。该工程河谷中下部呈对称“V”字型，岸坡较陡，平均坡度为53°～58°，河谷上部较开阔，岸坡较缓，且左缓右陡，左岸平均坡度约10°，右岸平均坡度约26°。综合考虑地形地质条件、施工条件、建坝技术可行性和技术进步要求，通过对混凝土坝坝高、坝顶宽度、上下游坡比等体型参数的比选，挡水建筑物推荐坝高60 m混凝土坝与面板堆石坝的组合坝方案[13]。大坝设计详见图2，堆石坝最大坝高150 m，坝顶宽度10 m，上游坝坡坡比1∶1.4，下游坝坡综合坡比1∶1.86，下部镶嵌混凝土坝最大坝高60 m，上游坡比1∶0.2，下游坡比1∶0.7，顶宽10 m，为避免周边缝变位过大，趾板宽度设置为8 m，板后堆石留存2 m。

图2 组合型面板堆石坝标准设计剖面(单位：m)Fig.2 Typical profile of combined rock-fill dams(unit： m)

2 计算模型和计算参数

混凝土坝和面板采用线弹性模型，堆石料采用南水双屈服面弹塑性模型，面板周边缝和垂直缝采用连接单元处理，面板与垫层、混凝土坝与过渡料之间设置Goodman单元，模拟接触面特性。筑坝材料计算参数如表1所示。混凝土坝和面板计算参数为：ρ=2.40 g/cm3，E=28 GPa，υ=0.167。Goodman 单元参数为：K=4 800，n=0.56，Rf=0.74，φ=36°。

表1 筑坝材料南水模型参数Tab.1 Parameters of Nanshui double-yield-surface model

图3 组合型面板坝三维有限元网格Fig.3 3D FEM meshes of combined rock-fill dam

3 计算成果与分析

有限元网格划分如图3所示。考虑混凝土坝坝段与基岩的共同作用，基岩深度方向和上、下游方向延伸范围为1.5倍混凝土坝坝高。基底为固定约束，四周边界均为法向约束。

3.1 堆石坝变形

堆石坝最大剖面坝左0+174.5顺河向水平位移和沉降分布分别见图4～5。竣工期上游坝体水平位移指向上游，最大值为5.4 cm；下游坝体则指向下游，最大值5.2 cm。蓄水后，在库水压力作用下坝体向下游变形，正常蓄水位时上游向最大水平位移减至2.3 cm，下游向最大水平位移增至6.0 cm。竣工期和蓄水期坝体最大沉降分别为40.8和43.8 cm，最大沉降发生在坝轴线1/2坝高处，量值约占最大坝高的0.3%。

图4 堆石坝最大剖面坝体顺河向位移(单位： cm)Fig.4 Horizontal displacement of largest profile of rock-fill dam (unit： cm)

图5 堆石坝最大剖面坝体沉降(单位： cm)Fig.5 Dam body settlement of largest profile of rock-fill dam (unit： m)

组合型面板坝与常规面板坝坝体的变形极值见表2。相比常规面板坝，组合型面板坝坝体变形总体有所降低，蓄水期沉降率由0.31%降至0.29%，下降幅度约为6%。可见组合型面板坝堆石坝体的变形性状与常规面板坝差别不大。对于组合型面板坝，混凝土坝坝高是控制性参数，随混凝土坝坝高增加，坝体变形降幅增大。不过当混凝土坝坝高不超过面板坝坝高的40%时，组合型面板坝与常规面板坝应力变形性状差别不大[13]。

表2 堆石坝坝体变形极值Tab.2 Maximum deformation of rock-fill dam

3.2 面板应力变形

面板蓄水期轴向变形和挠度分布见图6。水压力作用下面板发生挠曲变形，左、右两岸面板均向河谷中央位移，指向左岸和右岸位移最大值均为0.84 cm，面板挠度指向坝内，最大值为11.30 cm，位于河谷中央0.6h(h为坝高)处。

图6 面板蓄水期轴向变形与挠度(单位： cm)Fig.6 Axial deformation and deflection of slab during full storage period (unit： cm)

面板蓄水期轴向和顺坡向应力见图7。面板轴向以受压为主，两岸存在一定的受拉区，最大压、拉应力值分别为4.71和0.78 MPa。面板顺坡向完全受压，最大压应力值为6.38 MPa。

图7 面板蓄水期轴向应力与顺坡向应力(单位： MPa)Fig.7 Axial stress and longitudinal slope stress of slab during full storage period (unit： MPa)

组合型面板坝与常规面板坝面板的应力变形极值见表3。相比常规面板坝，组合型面板坝面板变形有所减小，蓄水期面板挠曲率由0.13%降至0.08%，下降幅度达38%；面板板内压、拉应力均有所降低，轴向压应力极值下降幅度为27%，顺坡向压应力极值下降幅度为23%，轴向拉应力极值下降幅度为32%，顺坡向拉应力则降为零。

综上可见，组合型面板坝面板的应力变形分布规律虽和常规面板坝接近，但面板的应力状态却有明显改善，无论是拉应力，还是压应力数值都明显比同等坝高常规坝小得多。

表3 面板应力变形极值(蓄水期)Tab.3 Maximum values of stress and deformation of slab during full storage period

3.3 混凝土坝应力变形

混凝土坝顺河向位移和垂直向正应力分布分别见图8～9。混凝土坝工作性态受双向控制，施工期受大坝的填筑荷载影响，向上游变形，最大值0.24 cm，运行期受库水压力为主，向下游变形，最大值为0.33 cm。垂直向，施工期和蓄水期坝体完全受压，最大垂直正应力分别为1.46和2.31 MPa。施工期和蓄水期混凝土坝自身基本受压，拉应力区仅限很小范围，施工期分布于两岸坝头下游面，蓄水期分布于两岸坝头上游面，且拉应力数值较小，最大值低于0.3 MPa。该大体积混凝土结构虽工作条件复杂，但应力状态良好，满足要求。

除了应力问题，稳定也是混凝土坝需要关注的问题之一。合理考虑下游堆石压力是稳定分析的重点。本工程采用有限元计算出的堆石压力而非规范要求的主动土压力对混凝土坝的稳定进行了复核计算。计算结果显示各工况下该混凝土坝的沿坝基面抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

图8 混凝土坝顺河向变形(单位： cm)Fig.8 Horizontal deformation of concrete dam (unit： cm)

图9 混凝土坝垂直向正应力(单位： MPa)Fig.9 Vertical normal stress of concrete dam (unit： MPa)

3.4 接缝变形

面板周边缝的剪切变位基本指向河谷中央，最大值为5.2 mm，沉陷变位指向坝内，最大值为14.1 mm，周边缝均处于张开状态，最大值为7.0 mm。最大剪切和张开均发生在河谷左岸陡倾段，最大沉陷发生在混凝土坝所在水平段。

面板垂直缝总体为河谷中央处于压紧状态，两岸处于拉开状态，最大张开值为3.9 mm，位于河谷左岸陡倾段与较缓段转折处。

表4接缝变位极值(蓄水期)

Tab.4 Displacements of peripheral joints and vertical joints during full storage period

坝型周边缝垂直缝剪切/mm沉陷/mm张开/mm张开/mm常规坝17.517.911.66.4组合坝5.214.17.03.9

组合型面板坝与常规面板坝周边缝的三向变位极值见表4。相比常规面板坝，组合型面板坝周边缝三向变位有不同程度降低，相比沉陷变位，剪切变位和张开变位降低明显，沉陷、剪切和张开极值降幅分别为21%，70%和40%。本工程混凝土坝坝顶宽度采用趾板后向下游延伸2 m，计算结果显示河床段周边缝沉陷变位量值并不大，在允许范围内。

4 结 语

组合型面板堆石坝的应力变形性状与常规面板堆石坝存在一定差异。与常规面板堆石坝相比，组合型面板堆石坝总体表现为坝体、面板的变形有所减小，面板压、拉应力有所降低，周边缝剪切和张开位移有所减小。

本研究工程混凝土坝坝高60 m，坝体变形、面板应力和接缝变形均在正常范围内，该组合型面板坝技术上成立。另外，由于坝址底部60 m高度范围河谷极其狭窄，之上则较为开阔，因此这种地形条件使得组合型面板坝施工、工程量、投资等与常规面板坝差别不大，从技术经济方面综合考虑，该组合型面板坝可行。

组合型面板堆石坝，虽然底部设置混凝土坝，增大了混凝土工程量，但可减少底部狭窄河谷岸坡趾板开挖量，缩短面板和垂直缝长度，有效改善面板的应力状态，可见该坝型存在一定技术优势，尤其是在不规则地形、狭窄峡谷等不利条件时，值得进行深入研究，希望通过文中研究工程的建设，推动面板坝建坝技术的发展和完善。

面板是面板堆石坝的主要防渗结构，是面板堆石坝成败的关键所在。由混凝土坝与面板堆石坝组成的复合坝坝型为250～300 m级面板堆石坝的建设提供了一种新思路，通过在底部设置一定高度的混凝土防渗体，使得面板长度与200 m级面板坝面板长度相当，从而提高250～300 m级面板堆石坝防渗面板的安全性。