库水位升降变化对关门山水库大坝应力和面板脱空的影响分析

杨旭前

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

混凝土面板堆石坝是一种常见坝型，具有投资水平低、建设速度快、适应性好等诸多优势[1]。但是，受到坝型特点的影响，面板裂缝问题一直是混凝土面板堆石坝设计、建设和应用过程中的难点问题。一旦面板裂缝发展并贯通，就会造成水体的大量渗入，并对大坝的整体安全造成严重威胁[2]。从混凝土面板裂缝的成因来看，主要有结构性裂缝和非结构性裂缝两种。其中，对面板影响最大的是结构性裂缝，而面板脱空又是造成结构性裂缝的直接原因[3]。显然，脱空部位由于受到水压力的作用，必然会发生一定的弯曲变形，并产生一定的拉应力，当拉应力值超出面板混凝土的抗拉强度之后，就会诱发结构性裂缝[4]。当然，大坝脱空的影响因素众多。限于篇幅，本次研究以数值模拟的方法，以关门山水库大坝为例，利用数值模拟方法展开库水位升降变化因素对大坝应力和面板脱空影响的研究，力求为面板脱空的预测和治理提供必要的理论和实践借鉴。

1 工程概况

关门山水库是一座以供水为主，兼具其他多种功能的中型水利工程，其坝址在辽宁省本溪市境内的小汤河干流上，距离下游本溪县政府直线距离约25km。关门山水库坝址以上控制流域面积约176.77km2，正常蓄水位172.00m，总库容约7661万m3。水库的主要建筑物按照百年一遇洪水标准设计，千年一遇洪水标准校核[5]。水库的主要水工建筑物包括大坝、溢洪道、泄洪洞和引水发电系统。其中水库的工程等别为Ⅲ等，永久性水工建筑物级别为3级。关山水库大坝为混凝土面板堆石坝设计，其下部存在较厚的地基覆盖层，总厚度约40～45m，自上而下可以分为三层，分别是砂砾石夹砾石、砂砾石、砂砾石夹块砾石，覆盖层下为新鲜基岩，地基环境比较理想。

2 FLAC-3D数值计算模型

2.1 FLAC-3D计算软件简介

FLAC-3D是一款大型通用有限元软件，由美国Itasca公司研发[6]。在软件推出之后，凭借其强大的模拟计算能力和广泛的工程适用性，已经被应用于隧道工程、边坡稳定以及大坝应力等诸多领域的数值分析研究。该软件可以将工程应用方面的各种方程转化为差分方程，从而实现求解过程的简化和非连续性，进而通过计算机进行迭代计算求解[7]。基于此，此次研究选择FLAC-3D有限元软件进行背景工程的三维有限元模型建模。

2.2 计算模型的构建

此次研究以关门山水库大坝为例，以坝体的横纵断面为依据，建立三维有限元计算模型。在模型的构建过程中，以顺河向指向下游的方向为Y轴的正方向，以垂直于Y轴指向右岸的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴的正方向。结合工程的实际特点和建模软件的要求，利用六面体等参单元对几何模型进行有限元网格剖分，最终获得278777个网格单元、245083个计算节点(见图1)。对构建的模型施加位移约束条件。其中，模型的底部施加全位移约束，模型的侧面施加横河向位移约束，模型的上部设置为自由边界条件[8]。

图1 有限元模型示意图

2.3 模型参数与边界条件

在模型计算过程中，大坝的堆石体本构模型采用邓肯—张E-B模型[9]，主堆石料的计算参数通过室内大型三轴试验获得，其余材料的计算参数通过除险加固工程的设计资料获得，具体的计算参数见表1。根据水库的实际调度运行情况，假定库水位从正常蓄水位172.00m下降至166.00m，然后再上升至172.00m，并将上述升降过程记为一次循环，在模拟计算过程中，分别计算坝前水位进行16次升降循环变化对坝体和面板应力变形的影响，并以此为基础探讨水位升降变化对面板脱空特征的影响。

表1 模型材料物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 坝体和面板应力变形分析

利用上节构建的数值计算模型，对不同水位升降循环下的坝体和面板的应力和位移进行模拟计算(见表2和表3)。由计算结果可知，随着水库水位升降变化循环次数的逐渐增加，大坝的坝体和面板应力变形指标均呈现出比较明显的变化。具体来看，坝体的沉降变形量、下游向水平位移以及大主应力和小主应力均随着循环次数的增加而增大，坝体的上游向水平位移则随着循环次数的增加而减小。大坝面板的挠度和顺坡向应力也随着循环次数的增大而增大。由此可见，库水位的循环变化会对大坝的坝体和面板的应力变形产生不同程度的影响，水荷载的循环作用会加剧大坝坝体和面板之间的不协调变形，造成面板脱空的可能性有所加大。因此，在大坝设计过程中，有必要考虑库水位升降变化的影响，保证大坝的安全稳定运行。

表2 坝体应力变形最大值计算结果

表3 面板应力变形最大值计算结果分析

3.2 面板脱空计算结果与分析

利用上节构建的数值模型，进行不同库水位循环升降条件下的大坝面板脱空计算。由计算结果可知，在不同库水位循环升降次数条件下，面板脱空的分布规律基本相似，仅在脱空的数值方面存在比较明显的差异。为了进一步研究库水位升降循环变化对面板脱空的影响规律和特征，提取面板脱空的长度、宽度和深度的最大值数据，绘制面板脱空长度、宽度和深度最大值随循环次数的变化曲线(见图2～图4)。从中可知，随着库水位升降循环次数的增加，面板的脱空长度、深度和宽度的最大值均呈现出不断增大的态势，循环次数较少时增加比较迅速，之后逐步趋于平缓。总之，库水位的循环升降作用，会加剧大坝混凝土面板的脱空现象，对面板乃至大坝的安全稳定运行造成不利影响，因此在大坝的设计和运行阶段，需要针对库水位升降变化对面板脱空的影响采取有针对性的措施，保证大坝的安全稳定运行。

图2 面板脱空长度随循环次数变化曲线

图3 面板脱空宽度随循环次数变化曲线

图4 面板脱空深度随循环次数变化曲线

4 结 论

此次研究以关门山水库混凝土面板堆石坝为例，利用数值模的方法研究了库水位升降变化对面板脱空的影响，获得的主要结论如下：库水位的循环变化会对大坝的坝体和面板的应力变形产生不同程度的影响，水荷载的循环作用会加剧大坝坝体和面板之间的不协调变形，造成面板脱空的可能性有所加大；随着库水位升降循环次数的增加，面板的脱空长度、深度和宽度的最大值均呈现出不断增大的态势，循环次数较少时增加比较迅速，之后逐步趋于平缓。

综合研究成果，库水位的循环升降作用，会加剧大坝混凝土面板的脱空现象，对面板乃至大坝的安全稳定运行造成不利影响，因此，在大坝的设计和运行阶段，需要采取有针对性的措施，保证大坝的安全稳定运行。