覆盖层对面板堆石坝脱空的影响研究

廖冬芽

摘  要：面板作为修建在堆石坝上游的建筑物，其主要作用为挡水和防渗，由于堆石坝体和面板的材料属性差异较大，因此面板与坝体的变形相差较大，故而面板出现了脱空现象。本文结合具体的覆盖层上的某面板堆石坝工程，通过建立不同覆盖层厚度的面板堆石坝有限元计算模型，进行三维有限元计算分析，计算分析了大坝在竣工期的应力变形，在此基础上研究覆盖层对面板脱空的具体影响。结果表明，随着覆盖层厚度的增大，坝体的沉降、顺河向位移、横河向位移的最大值以及面板挠度和顺坡向应力的最大值均随之也在不断增大。覆盖层的存在一定程度上增大了面板脱空的极值，对大坝的安全运行产生了不利的影响，因此需提高覆盖层地基的承载力，减少大坝的不均匀沉降，可以有效地预防面板脱空现象的出现。

关键词：覆盖层  竣工期  面板  堆石坝  脱空

中图分类号：TV641.4                       文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（b）-0029-04

Study on the Influence of Overburden on the Void of CFRD

LIAO Dongya

（China Railway Water Conservancy and Hydropower Planning and Design Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi Province， 330029  China）

Abstract： As a building built on the upstream of rockfill dam， the main function of panel is water retaining and seepage prevention. Because of the material properties of rockfill dam and panel are different， the deformation of the face plate and dam body is different， so the face slab appears void phenomenon. In this paper， based on a concrete face rockfill dam project on the concrete cover， the face rockfill dam with different thickness of overburden is established The finite element model is used to calculate and analyze the stress and deformation of the dam during the completion period. On this basis， the concrete influence of the overburden on the slab void is studied. The results show that with the increase of overburden thickness， the maximum values of dam settlement， along river displacement， across river displacement， and the maximum values of slab deflection and along slope stress are increasing. The existence of overburden increases the extreme value of slab void to a certain extent， which has a negative impact on the safe operation of the dam. Therefore， it is necessary to improve the bearing capacity of overburden foundation and reduce the uneven settlement of the dam， which can effectively prevent the occurrence of slab void.

Key Words： Overburden; Completion period; Face slab; Rockfill dam; Void

面板堆石壩以上游的面板为主要的防渗结构体、以堆石体为主要的受力结构体，具有对地形地质条件适应性强、坝体断面小、建设成本低、工期较短、便于施工导流、稳定性好等众多优点，在大坝工程的建设中，通常将面板堆石坝作为首选坝型来考虑[1]。

面板堆石坝的面板发生脱空现象的直接原因是坝体与面板变形难以协调，而影响二者变形的因素有很多，例如筑坝材料的流变特性、坝体的分层碾压、面板的分期浇筑、堆石体填筑时超出面板的高度、坝体的预沉降期、坝体自重、堆石体的压实质量、大坝的蓄水过程、库水位的循环升降、地形地质条件等因素，目前各影响因素对面板脱空的影响程度尚不明确。

大坝工程建设中，在深厚覆盖层地基上修建土石坝是不可避免的，如果不挖除覆盖层将土石坝修建在其上可以减少工程成本费用，减短工期，便于施工导流，但覆盖层会使得大坝产生较大的不均匀沉降[2]。就目前而言，覆盖层地基上建造的面板堆石坝也不在少数，覆盖层的存在既然会使大坝产生较大的不均匀沉降，就很有可能加剧面板和坝体本身由于材料属性的差异出现的面板脱空现象，因此很有必要对深厚覆盖层上的面板堆石坝的面板脱空问题进行相应地研究。

1  工程概况

某覆盖层上的面板堆石坝坝顶最大长度为232.0m，坝顶的宽度为11.0m，坝顶高程为 2206.5m，正常蓄水位为2202.0m，最大坝高为137m，上游坝坡坡度为1∶1.4，下游坝坡坡度在高程2170.5m以下为1：1.45，高程2170.5m以上为1∶1.5。此大坝坝址区域的覆盖层主要为冲积砂砾卵石层，河槽部位的覆盖层最大厚度大约为50m，大坝的标准剖面如图1所示。

2  有限元模型

根据该面板堆石坝工程的相关设计图，分别建立3个覆盖层厚度为20m、30m、40m的三维有限元模型，3个模型除了覆盖层厚度不一样之外，其余特征参数均一致。计算中以顺水流向为x轴方向，向下游为正;以垂直水流方向为y轴方向，向左岸为正;以竖直方向为z轴方向，向上为正。覆盖层地基底部施加固定端约束，两岸坝肩施加法向约束。计算模型均采用八结点六面体单元，混凝土面板的网格如图2所示。

3  材料本构模型和计算参数及条件

在进行有限元计算分析时，坝体堆石料和覆盖层的本构模型采用邓肯-张E-B模型[3]，原因在此不再赘述，材料参数通过室内三轴试验获得。混凝土面板采用线弹性本构模型，密度为2400kg/m3，泊松比为0.167，弹性模量为30GPa。面板与坝体之间的接触面同样采用无厚度的Goodman单元模拟。

对不同覆盖层厚度的面板堆石坝，根据大坝的实际填筑顺序及蓄水过程进行有限元数值模拟[4]。计算时坝体填筑共分15个加载级模拟，混凝土面板的浇筑分 2 个加载级模拟。

对覆盖层厚度为20m、30m、40m的面板堆石坝分别进行有限元计算分析，得出3個不同覆盖层厚度的面板堆石坝在竣工期的应力变形，在此基础上计算分析面板和垫层的相对变形，得出不同模型所对应的面板脱空值，研究覆盖层对面板堆石坝面板脱空的影响规律[5]。

4  竣工期不同覆盖层厚度的面板堆石坝的应力变形分析

对3个不同覆盖层厚度的面板堆石坝，分别采用相同的计算方法对大坝竣工期的应力变形进行了有限元计算分析，得出了不同覆盖层厚度的大坝竣工期应力变形的计算结果，结果表明应力变形的分布规律大体相一致，仅仅在数值上有所差别而已。现将3个不同大坝竣工期应力变形的最大值汇总于表1中，只将应力的计算结果列于表1中，不再对此做具体分析。由于3个不同覆盖层厚度的大坝竣工期面板和坝体变形的分布规律基本一致，只是在数值上有所差别而已，因此限于篇幅只列出覆盖层厚度为20m的面板堆石坝竣工期的变形云图，如图3、图4所示。

根据计算结果可知，竣工期不同覆盖层厚度的大坝沉降、水平位移、横河向位移的分布规律大体相一致，3个不同覆盖层厚度的坝体和面板变形最大值出现的位置基本都相同。由图3、图4可知，竣工期坝体最大沉降出现在大约1/2坝高附近;坝体的水平位移分布基本是对称的，上游堆石体产生向上游的位移，下游堆石体产生向下游的位移;两岸坝坡附近的堆石坝体呈现向河床部位变位的趋势，由于河谷形状不对称，所以大坝横河向的位移分布也出现不对称的现象;面板挠度最大值出现在大约2/3坝高处，面板的挠度值向最大值处的四周逐渐减小。

由表1可知，随着覆盖层厚度的增大，坝体的最大沉降、顺水流向位移的最大值和横河向位移的最大值以及面板的挠度和顺坡向应力的最大值均随之增大，而坝体的大、小主应力却呈现逐渐减小的趋势。

5  竣工期不同覆盖层厚度的面板堆石坝面板脱空的结果分析

根据不同覆盖层厚度的面板堆石坝竣工期面板脱空的计算结果可知，3个模型计算出的面板脱空的分布规律大致相同，但与覆盖层厚度相对较小的面板堆石坝相比，覆盖层厚度相对较大的面板堆石坝所对应的面板脱空值更大，这主要是因为覆盖层越厚，会使得大坝产生更多的不均匀沉降，加剧了面板和坝体之间的变形不协调特性，进而使得面板的脱空值更大[6]。现将3个大坝竣工期面板脱空的计算结果列于表2中，覆盖层为20m的大坝竣工期面板脱空等值线图如图5 所示。

不同覆盖层厚度的大坝竣工期面板脱空的分布规律大体相一致，受本工程特殊地形地质条件的影响，面板脱空的最大值均出现在左岸河床部位附近。由表2可知，随着覆盖层厚度的增大，大坝竣工期面板脱空的最大长度、最大宽度、最大深度也随之呈现不同程度的增大趋势。当覆盖层厚度从20m增加到30m时，面板脱空的最大长度增大了3.4%，面板脱空的最大宽度增大了10.9%，面板脱空的最大深度增大了23.8%。当覆盖层厚度从30m增加到40m时，面板脱空的最大长度同样增大了3.4%，面板脱空的最大宽度增大了5.6%，面板脱空的最大深度增大了50.1%。从表2中可以明显看出，随着覆盖层厚度的增大，面板脱空深度的最大值随之变化的幅度更大。

6  结语

本文结合具体的覆盖层地基上的某面板堆石坝工程实例，在ABAQUS中建立了3个不同覆盖层厚度的面板堆石坝有限元模型，对其分别进行了三维有限元计算分析，得出了3个大坝在竣工期的应力变形。随着覆盖层厚度的增大，坝体的沉降、顺河向位移、横河向位移的最大值以及面板挠度和顺坡向应力的最大值均随之在不断地增大。通过计算分析面板和坝体的相对位移，得出了竣工期3个大坝所对应的面板脱空的极值和范围随覆盖层厚度的变化规律。覆盖层的存在一定程度上增大了面板脱空的极值，对大坝的安全运行产生了不利的影响，因此需提高覆盖层地基的承载力，减少大坝的不均匀沉降，可以有效地预防面板脱空现象的出现。

参考文献

[1] 刘月.基于BIM的重力坝参数化设计研究[D].大连：大连理工大学，2020.

[2] 陈彪.混凝土面板堆石坝应力变形及动力响应研究[D].西宁：青海大学，2020.

[3] 余华.基于邓肯E-B模型的面板堆石坝应力变形分析——以毛家河水库面板堆石坝为例[J].人民珠江，2016，37（9）：40-47.

[4] 吴海波. 面板堆石坝面板脱空的影响因素研究[D].西安：西安理工大学，2020.

[5] 刘汉龙，刘彦辰，杨贵，等.覆盖层上混凝土-堆石混合坝模型试验研究[J].岩土力学，2017，38（3）：617-622，671.

[6] 邢建营.面板堆石坝深覆盖层处理技术研究及在河口村水库工程中的应用[J].岩土工程学报，2020，42（7）：1368-1376.