河谷地形对面板混凝土堆石坝边墙施工期挤压形变规律的有限元分析研究

(上饶市科信水利水电勘察设计咨询有限公司，江西 上饶 334000)

狭窄河谷筑建高面板堆石坝技术得到越来越多的应用和重视，但针对其应力应变规律以及河谷地形的变化对挤压边墙位移的影响，研究尚不够充分。本文结合案例工程，以有限元分析的方法，围绕河谷宽度上的挤压变化。坡岸缓急程度上的挤压变化、河谷对称性上的挤压变化，对混凝土面板堆石坝边墙施工期挤压形变规律进行专题分析研究，以为施工应用提供研究和技术参考。

1 工程概况

大坳水库位于信江支流石溪河，坝址在上饶县上泸镇，1995年12月开工，1997年9月竣工。水库集水面积390km2，多年平均径流量4.45亿m3，水库总库容2.757亿m3，设计装机容量4万kW，实际装机容量4万kW，实际年发电量为9082万kW·h。大坳水库是一座以防洪为主，兼顾发电、灌溉的大(2)型年调节水库。

2 主要材料参数及计算模型

大坳水库坝体为面板钢筋混凝土堆石坝，坝顶高程524.30m，坝顶宽10m，坝顶轴线长465m，最大坝高158.30m，趾板建基面高程366.00m，上部面板钢筋混凝土厚30cm，底部厚84cm，坝体分主、次堆石区，坝面上游坡度1∶1.4，下游坡度1∶1.44。高程485.00m以上实施了单排固结灌浆，以下实施了双排固结灌浆。上游至下游的坝体材料分区依次为混凝土面板防渗区、层垫料区、过渡料区、主次堆石区。下游坝脚呈堆石反滤棱体，以干砌石护坡和坝后堆石棱体压重。坝体材料E-B模型主要参数见表1。

表1 坝体材料E-B模型的主要参数

坝体材料分区具体见图1。

图1 坝体材料分区示意图

本研究有限元分析计算方案见表2。

表2 有限元分析计算方案

续表

有限元模型及网格例图见图2。

图2 方案1- 4的体模及网格例图

3 有限元专题计算及分析

3.1 河谷宽度上的挤压变化

3.1.1 顺河向边墙挤压位移

按河谷不同底宽四种方案(1-1、1-2、1-3、1-4)进行有限元计算，得到的沿坝体高程的顺河向边墙挤压位移分布见图3。

图3 沿坝体高程的顺河向边墙挤压位移分布

图3揭示，河谷宽度系数差异对施工期沿坝体高程的顺河向边墙挤压位移分布的影响多集中于边墙的中下区域，顺河整体上游向边墙挤压位移，随河谷宽度差异系数的增大而逐渐加大，幅度显著。此项变化在472.00m高程以上则较小。河谷宽度系数越小，坝体受到坝基的约束就越大，边墙挤压形变就越小。

图4 河谷宽度与最大顺河向边墙位移曲线关系

图4揭示，上游向顺河边墙位移随河谷宽度增大而逐渐加大。1.6～2.7范围加大河谷宽度系数，顺河向边墙位移发生了近10倍的增大，显示顺河向边墙位移受河谷宽度系数影响显著。

3.1.2 垂向边墙挤压位移

基于不同河谷宽度系数的垂向边墙最大挤压位移见图5。

图5 基于不同河谷宽度系数的边墙垂向最大挤压位移曲线

图5揭示，边墙垂向最大挤压位移与河谷宽度系数呈逐渐增大关系。系数低于1.8时，边墙垂直位挤压移值小，但其变化的梯度大；系数高于1.8时，边墙垂直挤压位移值大，但其变化的梯度小。1.6～1.8系数增大变化，边墙垂直挤压位移值有近1倍的增大，而1.8～2.7系数增大变化，边墙垂直挤压位移值变化则较小。

3.1.3 轴向边墙挤压位移

图6为方案1-1的竣工期轴向边墙挤压位移分布图，用同样的方法，得到方案1-2、1-3、1-4的同期轴向边墙挤压位移分布图。

图6 方案1-1的竣工期轴向边墙挤压位移等值线(单位：m)

轴向边墙挤压位移分布揭示，四个方案下的轴向边墙挤压位移分布规律均呈两岸向中部边墙加大挤压的趋势，随河谷宽度系数的提高，坡岸对边墙位移的约束渐次减弱，轴向边墙位移值渐次增大。四个方案中边墙下部垂直挤压位移的分布规律则存在差异，150m和300m河谷底宽，边墙下部挤压出现在自边墙中部向两岸移位的区域，不过其位移面积一般较小。300m、150m、75m和25m河谷底宽，对应轴向边墙挤压位移分别为11cm、8cm、5.20cm和4.7cm，且都发生于2/3最大坝高的右岸附近。

3.2 坡岸缓急程度上的挤压变化

3.2.1 顺河向边墙挤压位移

不同坡岸缓急系数下顺河向边墙挤压位移分布见图7。图7揭示，不同坡岸缓急系数下顺河向边墙挤压位移的分布规律大同小异，缓急系数差异对中下部边墙位移存在明显影响，对边墙下部及上部影响则渐次趋弱。边墙上游顺河向位移随缓急系数的减小呈伴随增大的趋势，系数小于0.7时位移变化的梯度较小，系数大于0.7时位移变化的梯度较显著。0.50～1.50的缓急系数提升，边墙上部挤压形变呈现约2cm的增大。

图7 不同坡岸缓急系数下沿坝高顺河向边墙挤压位移分布

不同缓急系数下上游顺河向最大位移施工期挤压边墙变化曲线见图8。

图8 不同缓急系数下上游顺河向最大位移施工期挤压边墙变化曲线

图8揭示，上游顺河向最大挤压边墙位移随河谷边坡缓急系数提高，呈渐次减小的趋势。缓急系数高于1时，边墙挤压位移变化梯度相对较大，缓急系数低于1时，边墙挤压位移变化梯度相对平缓。但总体来讲，0.50～1.50的坡度缓急系数增大，边墙最大挤压位移值发生5.20cm降低，显示河谷缓急系数差异对施工期顺河向边墙挤压位移的影响不大。

3.2.2 垂向边墙挤压位移

基于不同河谷边坡缓急系数的施工期最大垂向边墙挤压位移见图9。

图9 基于不同河谷边坡缓急系数的施工期最大垂向边墙挤压位移曲线

图9揭示，垂向边墙挤压位移随河谷边坡缓急系数加大，呈降低趋势。由0.50至1.50缓急系数变化，垂向边墙最大挤压位移降低近1/4，显示垂向边墙挤压位移受缓急系数差异的影响较为明显。

3.2.3 轴向边墙挤压位移

图10为方案2-1的竣工期轴向边墙挤压位移分布图，用同样的方法，得到方案2-2、2-3、2-4的同期轴向边墙挤压位移分布图。

图10 方案2-1的竣工期轴向边墙挤压位移等值线(单位：m)

轴向边墙挤压位移分布揭示，四个方案下的轴向边墙挤压位移分布规律大同小异，均呈两岸向中部挤压边墙的位移趋势，轴向边墙最大挤压位移发生于2/3最大坝高的两岸附近。1∶2、1∶1.5、1∶1和1∶0.5坡比，对应的轴向边墙挤压位移值分别为5.90cm、6.10cm、6.30cm和5.7cm，其中1∶1时的轴向位移为最大，1∶2和1∶1.5时轴向边墙挤压位移值较小，1∶0.5时同期位移值为最小。

3.3 河谷对称性上的挤压变化

3.3.1 顺河向边墙挤压位移

基于河谷对称性上的顺河向边墙挤压位移分布见图11。

图11 基于河谷非对称性的顺河向边墙挤压位移分布

图11揭示，施工期顺河向边墙挤压位移受到河谷非对称系数变化的影响，多集中于382.00～455.00m高程区间，顺河向边墙上游挤压位移随非对称系数减小而减小。边墙上部形变收缩随对称系数降低而呈伴随增大的趋势，只不过变化幅度较小。

基于河谷非对称系数施工期顺河向边墙挤压位移曲线见图12。

图12揭示，边墙上游顺河向最大位移随河谷的非对称系数的加大，呈现伴随增大的趋势，1.4～3.2非对称系数增大区间，边墙最大顺河向位移增大了约1/9，表明河谷左右两岸的对称性虽然也对边墙顺河向位移变化产生影响，但没有河谷宽度的影响明显。

3.3.2 垂向边墙挤压位移

河谷非对称系数差异下的垂向边墙挤压位移见图13。

图13 河谷非对称系数差异下的垂向边墙挤压位移曲线

图13揭示，最大垂向边墙挤压位移随河谷非对称系数差异增大，呈伴随增大的趋势，1.4～3.2的非对称系数增大演变，垂向边墙挤压位移约有1/8的增大量，显示河谷对称系数对边墙垂向挤压位移的影响较小。

3.3.3 轴向边墙挤压位移

图14为方案3-1的竣工期轴向边墙挤压位移分布图，用同样的方法，得到方案3-2、3-3、3-4的同题轴向边墙挤压位移分布图。

图14 方案3-1的竣工期轴向边墙挤压位移等值线(单位：m)

轴向边墙挤压位移分布揭示，四个方案下的边墙中上部轴向挤压位移的垂直分布规律大同小异，靠近左岸边墙轴向挤压位移随坡比增大呈逐渐减小趋势，靠近右岸的边墙轴向挤压位移随坡比增大呈逐渐增大趋势。1∶0.4、1∶3、1∶2和1∶0.5左岸坡比，对应了6.50cm、6.43cm、6.41cm和6.10cm的施工期轴向最大边墙挤压位移，它们均发生于边墙2/3最大坝高的两岸附近。

4 结 论

a.顺河向边墙位移受河谷宽度系数影响显著。河谷宽度系数差异对施工期沿坝体高程的顺河向边墙挤压位移分布的影响多集中于边墙的中下区域，顺河整体上游向边墙挤压位移，随河谷宽度差异系数的增大而逐渐加大。边墙垂向最大挤压位移与河谷宽度系数呈跟随逐渐增大关系，轴向边墙挤压位移多发生于2/3最大坝高的右岸附近。

b.坡岸缓急系数差异对边墙不同部位影响不同。坡岸缓急系数差异对中下部边墙位移存在明显影响，对边墙下部及上部影响则渐次趋弱。0.5～1.5的坡度缓急系数增大，边墙最大挤压位移值发生5.2cm降低。施工期顺河向边墙挤压位移受到河谷非对称系数变化的影响，顺河向边墙上游挤压位移随非对称系数减小而减小。河谷左右两岸的对称性虽然也对边墙顺河向位移变化产生影响，但没有河谷宽度的影响明显。

c.施工期顺河向边墙挤压位移受到河谷非对称系数变化影响。施工期顺河向边墙挤压位移受到河谷非对称系数变化的影响，顺河向边墙上游挤压位移随非对称系数减小而减小。边墙上游顺河向最大位移随河谷的非对称系数的加大，呈现伴随增大的趋势。河谷左右两岸的对称性虽然也对边墙顺河向位移变化产生影响，但没有河谷宽度的影响明显。最大垂向边墙挤压位移随河谷非对称系数差异增大，呈伴随增大的趋势。靠近左岸边墙轴向挤压位移随坡比增大呈逐渐减小趋势，靠近右岸的边墙轴向挤压位移随坡比增大呈逐渐增大趋势。