基于挤压式边墙的面板堆石坝静力计算分析研究

孙文博

(黑龙江省黑河市水务局，黑龙江 黑河 164300)

1 挤压式边墙技术

挤压式边墙是对面板堆石坝的垫层和过渡层施工的技术创新，目的是为增强坝体上游坡面的稳定性。施工工艺是在坝体料填筑前，先对挤压边墙进行边坡处理，通过挤压机成型混凝土边墙结构，边墙结构和坝体高度同步上升，保证回填土、垫层料和过渡料的正常施工。当挤压墙结构达到一定强度，再开始进行回填土的碾压密实。因其施工速度快，工艺简单，造价可控，现已被大量使用在大坝工程中。

2 堆石体本构模型

堆石坝土石材料的本构关系及本构模型采用非线性E-B模型[1]，假定土石料抗剪强度符合Moher-Coulomb破坏准则，切线模量推导步骤如下：

2.1 切线弹性模量

Et=K(1-RfS)2Pa(σ3/Pa)n

(1)

其中

S=(σ1-σ3)(1-Sinφ)/(2Ccosφ+2σ3Sinφ)

(2)

φ=φ0-△φLog(σ3/Pa)

(3)

当(σ1-σ3)<0.95(σ1-σ3)i-1且Si<0.95Si-1时土体无荷载，此时卸变形模量表达为：

Eur=KurPa(σ3/Pa)d

(4)

2.2 切线体积模量

土体中泊松比μ反映体积变化，称为E-μ模型，切线体积模量由下式计算：

Bt=KbPa(σ3/Pa)m

(5)

计算时定义Bt在Et/3至17Et之间。

3 工程实例

3.1 工程概况

某混凝土面板堆石坝位于我国湖北省境内，枢纽主要工程效益为发电，兼具防洪灌溉功能[2]，水库正常蓄水位647.5m，坝顶高程651.0m，最大坝高115.3m，坝顶长291.4m，总库容0.99亿m3，坝料分区为坝前铺盖、面板、垫层区、过渡区和上、下游堆石区。混凝土面板及分缝图见1。

图1 混凝土面板及分缝图

3.2 有限元模型

坝体有限元网格剖分[3]采用solid65八节点六面体等参单元，挤压式边墙采用shell181单元，边墙共划分单元105个，节点113个。大坝共划分三维空间单元1162个，结点5631个。坝体有限元网格划分见图2。

图2 坝体有限元网格剖分图

3.3 计算参数

坝体堆石料采用邓肯E-B模型，各材料物理参数根据类似工程和专家经验确定[4]，计算参数统计见表1。

计算时将面板和挤压边墙定义为线弹性材料，面板物理参数为E=20GPa，μ=0.167，d=2.45g/cm3；边墙物理参数为：E=9GPa，μ=0.3，d=2.25g/cm3。

3.4 计算结果

3.4.1 施工期

施工期无水压力，面板受力为自重，图3至图6为有边墙的施工期面板应力应变等值线图，仅对挤压式边墙法的坝体施工期应力结果进行展示。

表1 堆石体材料参数表

图3 坝体面板轴向位移变化图

图4 坝体面板法向位移变化图

图5 坝体面板轴向应力变化图

图6 坝体面板顺坡向应力变化图

由图可得，施工期的坝体面板轴向位移变化指向河槽中央，右岸最大变形量为0.86cm，出现在坝体中部。左岸最大位移为0.72cm，出现在坝体顶端附近。因受大坝重力荷载，法向位移均垂直坡面，最大值1.83cm，出现在右岸坝体中部。面板挠度最大值为1.36cm，位于坝体面板转折处，分析因受河谷“S”形所致，面板变形位置均偏左岸。施工期的面板顺坡向应力均为压应力，无拉应力发生，最大值为5.8MPa，出现在面板中下部；轴线应力变化基本为压应力，最大值0.62MPa。在大坝岸坡位置产生较小拉应力，最大值为0.23 MPa。

3.4.2 蓄水期

蓄水期面板因内外水压力作用，轴线位移较竣工期变化显著，位移变化方向同施工期，右岸最大位移1.94cm，在坝体上部位置，左岸最大位移2.42cm，在坝体顶端中部附近。法向位移最大变化值34.5cm，面板挠度最大值27.6cm。蓄水期面板顺坡向应力基本为压应力，最大值7.1MPa，大坝底部出现较小范围的拉应力，最大1.9MPa。

3.4.3 对比分析

对比分析结果见表2。

表2 面板应力应变结果对比表

由表2可见，挤压边墙对坝体受力具有一定的减荷作用，综合认为坝体稳定受边墙的影响不大。若仅对大坝进行静力计算分析，可不计边墙受力影响，但作为混凝土面板和堆石料间的薄层结构，结构特点和施工技术优势突出，在混凝土面板堆石坝设计施工时应予以考虑。

4 结 论

基于有限元模型建立原理和挤压式边墙的施工技术，对有无挤压式边墙的面板堆石坝进行有限元计算分析，通过施工期和蓄水期不同工况下的应用，对比不同方案下的应变结果，表明有边墙时对坝体应力应变扰动小，尤其在上游坝体的应力状况得到改善。综合认为挤压式边墙的应用对面板的应力和变形状况是有利的。