新疆某高混凝土面板堆石坝流变反演分析

马 洪 玉

(新疆水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 830000)

混凝土面板堆石坝具有适应地形能力强、经济安全、施工快捷等诸多优点，近些年深受水利工程建设者的青睐。从20世纪80年代距今，短短30多年我国已建成和在建的堆石坝已突破400余座[1]。然而，对于此类坝型来说最核心的问题是如何控制坝体填筑期及工后变形量，这对整个刚性防渗体结构至关重要[2-5]。基于本工程实测数据对填筑完工后坝顶沉降、面板挠度，竣工时坝体最大沉降，以及多年运行后坝体变形沉降进行分析后，可知坝体的变形均偏大，且未收敛。因此，有必要根据现场原位观测资料来反演分析堆石体的流变参数，确定坝体最大沉降量及目前沉降阶段和最终沉降时间，为坝体修复以及后期安全运行提供指导和技术支撑。

1 工程概况

本水电站主要任务为发电，总库容2.32亿m3，属大(2)型Ⅱ等工程。工程中主要建筑物为混凝土面板堆石坝、表孔溢洪洞、深孔泄洪洞、引水发电洞及坝后地面电站厂房等建筑物组成。大坝为混凝土面板堆石坝最大坝高140.3 m，为1级建筑物，表孔溢洪洞、深孔泄洪洞为2级建筑物，引水发电洞及地面厂房为3级建筑物。地面厂房布置在坝下游左II级阶地上，枢纽平面布置见图1。

图1 工程平面布置图

1.1 坝体分区设计及筑坝材料

(1) 大坝布置。大坝为混凝土面板堆石坝，布置于主河床处。坝顶宽8.0 m，坝轴线长446 m，防浪墙顶高程757.5 m，坝顶高程756.3 m，最大坝高140.3m。大坝上游坝坡坡比1.0∶1.5，采用钢筋混凝土面板，上游坝面高程695.0 m以下设铺盖区；下游坝坡坡比1.0∶1.3，采用大块石护坡，下游坝坡设6级10 m宽、纵坡为8%的上坝道路，最大断面平均坡度约为1.0∶1.7。

(2) 坝体分区及填筑设计。混凝土面板堆石坝主要采用花岗岩爆破料筑坝。堆石坝坝体分区(见图2)从上游至下游分为上游盖重区、上游铺盖区、混凝土面板、垫层区、特殊垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、下游堆石护坡。

图2 大坝结构分区图(单位:mm)

1.2 大坝变形情况

2009年6月开工建设，2013年4月30日左岸填筑至防浪墙底高程，2014年1月20日二次蓄水至今坝体变形过大。现场坝顶路面伸缩缝张开变形明显、错动、局部开裂、混凝土剥落；上游侧混凝土防浪墙伸缩缝张开变形明显、局部开裂、混凝土剥落、骨料外露、露筋。下游侧混凝土路缘石局部挤压破坏严重、开裂破损。大坝上游混凝土面板水位以上部位进行了外观检查，混凝土面板坡面较平整，无隆起、凹陷、破损等现象；面板垂直缝顶部止水外观无异常现象。下游坝坡块石护坡整体情况较好，局部存在隆起、塌陷现象；踏步混凝土存在局部剪切错动、挤压破坏严重、开裂破损等现象。“之”字形上坝公路路面混凝土局部存在裂缝，路面外侧路基局部塌陷。下游坝脚电站厂房外侧路面及回车平台混凝土开裂。

1.3 大坝变形监测资料分析

根据图3大坝表面沉降变形观测资料可知，坝顶大坝中间LD13、LD14测点的变化较大，2018年5月至2020年10月，沉降量已达97.8 mm、89.5 mm，近两年大坝下游坝坡堆石体变形偏大，且尚未完全收敛。

图3 大坝表面垂直位移过程线图

根据图4大坝内部沉降变形观测资料，截至2020年6月26日，坝体垂直位移最大值为1 309.8 mm(坝0+305剖面721 m高程的ES(4)4-1测点)，最小值为78.3 mm(坝0+261剖面682 m高程的ES(6)2-3测点)。坝体0+261断面坝体垂直位移分布沿上下游方向、沿坝高分布无明显规律，坝体中下部的下游侧沉降略大，坝体上部的上游侧沉降略大。坝体0+305断面坝体垂直位移分布沿上下游方向表现为上游侧沉降略大，向下游沉降逐渐减小。

图4 大坝内部垂直位移分布(2020年6月26日)

1.4 沉降监测成果分析

从图4大坝内部沉降监测成果来看，内部沉降测值大小和规律总体较为异常。例如， 大部分测点沉降测值存在较大波动，虽然本工程为不完全年调节水库，库水位年变幅大，但从抽水蓄能电站大坝运行期的变形性态来看，库水位的波动，可能会对蓄水运行初期的变形有一定影响，对运行几年的大坝变形影响有限，坝体运行期变形受控于流变变形，即库水位的波动不是导致沉降测值产生较大波动的原因，沉降测值大幅波动很可能还是水管式沉降仪的通气管和排水管存在故障所致。部分测点运行过程中沉降出现逐渐减小现象。不同剖面720 m高程纵桩号相同位置测点，右岸小断面坝0+305测点沉降总体比河床最大断面0+261断面测点沉降大，这些都是不符合面板坝变形一般规律的。由此可以判断大部分内部沉降观测成果不够可靠。从大坝外部沉降监测成果来看，河床中间测点沉降大，两岸测点沉降小，沉降规律符合面板坝变形一般规律。

鉴于国内外100 m～200 m级混凝土面板堆石坝沉降量统计情况来看[6]，如表1所示。类似本工程的同类型大坝竣工期及工后沉降变形均小于坝高的1%和0.3%，目前，本工程大坝坝体总沉降量、坝顶沉降量均较同类型工程大，且没有收敛趋势。因此，为了解本工程坝体沉降变形程度及最终沉降时间，及后期修复坝体防渗结构提供依据。采用坝体内部测点和表面测点观测值的相对沉降值进行反演分析，通过反演分析，确定“南水”双屈服面弹塑性模型和流变模型的参数。基于反演分析结果，预测体沉降变形程度及最终沉降时间。

表1 国内外100 m～200 m级混凝土面板堆石坝沉降量统计情况

2 坝体变形反演计算分析

2.1 计算模型

堆石体是大坝的主体结构，其应力应变关系的合理模拟，对大坝变形计算结果准确性至关重要。常用的堆石体本构模型分为非线性弹性模型与弹塑性模型[7]。非线性弹性模型主要以Duncan E-v模型、Duncan E-B模型为代表。弹塑性模型以“南水”双屈服面模型为代表。“南水”双屈服面弹塑性模型与非线性弹性模型相比，可以考虑堆石体的剪胀和剪缩特性，能够较为真实地反映坝体的应力应变性状。因此，反馈分析堆石料的本构模型仍采用“南水”双屈服面弹塑性模型[8]。

2.2 有限元建模

图5为大坝-基岩精细化三维有限元网格图，其单元总数为74 692，结点总数为75 903。图6分别为大坝模型、坝0+260剖面模型、大坝与坝基间设置的接触单元模型。建模时，空间实体单元，为适应坝体边界的变化，边界部分退化为三棱体或四面体单元[9-10]。坐标系定义为：X为轴向，指向右岸为正，零点设置在坝0+0.0断面；Y为顺河向，指向下游为正，零点为轴线0+0.0位置；Z为竖直向，以其高程为垂直向坐标值。

图5 大坝三维有限元网格图

图6 坝0+260剖面有限元网格图

2.3 堆石体南水模型、流变模型计算参数

参考以往大连理工大学、中国水科院、河海大学的计算资料，结合类似工程堆石料参数资料[11-15]，拟定的初始坝料南水模型参数。反馈计算时，只对于堆石坝料的本构模型参数，选取对变形较为敏感的参数K(Kur)、cd、φ0、Δφ等进行反演；对于堆石坝料的流变模型参数，选取对变形较为敏感的参数b、c、d等进行反演；对于线弹性材料和接触面，参数为固定值，混凝土结构和基岩参数见表2，接触面模型见表3，坝料南水模型和流变模型计算反演参数结果见表4、表5。基于南水模型参数计算出的应力场下，根据大坝的变形速率再次反演坝体的流变参数见表6。

表2 线弹性材料参数

表3 接触面参数

表4 坝体南水模型参数反演结果

表5 坝体流变模型参数反演结果

表6 坝体流变反演参数汇总表

2.4 反演参数计算分析成果

图7给出了反演参数计算出的2018年5月30日—2020年6月30日期间坝顶沉降过程，反演结果与外观监测结果较为吻合，说明反演参数基本反映了工程坝料的实际力学特性。

图7 2018年5月至2020年6月坝顶沉降过程线

图8为反演计算出的坝0+261剖面、坝0+305剖面720 m高程内部沉降测点位置沉降发展过程线。从坝体变形计算结果来看，至2020年6月底河床最大断面坝0+261最大沉降为172.1 cm，发生在坝轴线上游7.5 m高程710 m处，该量值约占坝高的1.2%，变形偏大且处于尚未收敛状态。

图8 计算出的高程720 m内部沉降测点位置沉降过程线

从表7中可知，至2020年6月底面板挠度最大值为140.1 cm，但是面板挠度最大变形值发生在河床坝0+248剖面715 m高程，为179.7 cm，面板挠曲率约为0.86%，量值偏大，超过了国内同类型面板堆石坝的面板挠度正常范围。

表7 反演计算成果统计表

至2020年6月底面板轴向和顺坡向的压应力、拉应力均有过大现象，26#、27#面板710 m高程附近存在小范围的轴向压应力大于30 MPa区域，该区域发生压裂破坏的可能性大，15#—19#面板底部以及36#—39#面板周边缝附近存在轴向拉应力大于3 MPa的拉裂区，26#面板710 m高程附近顺坡向压应力略超30 MPa，混凝土发生压裂破坏的可能性大，9#—19#面板底部以及35#—40#面板周边缝附近存在顺坡向拉应力大于3 MPa的拉裂区。计算揭示出的应力异常区域和面板实际裂隙发生区域基本是可对应的。计算出的裂隙分布与实际裂隙分布存在一定差异，差异主要集中在712 m～748 m间水位变幅区面板产生了较多横向裂缝，该区域的横向裂缝很可能是由于干湿、温度变化引起的。

2.5 坝体应力变形预测分析

库水位自2020年6月30日起按745 m高程运行考虑，计算出的自2018年5月30日开始的坝顶沉降增量过程线见图9。计算时间段内，坝顶沉降随时间不断增长，2018年5月30日—2020年6月30日期间完成的沉降约占总沉降的83%，2022年6月左右沉降逐渐趋于稳定，沉降最大值为11.0 cm。

图9 自2018年5月30日开始坝顶沉降增量过程线

3 结 论

本工程的坝体变形在同类型工程较大，基于外部变形及内部变形数据，通过三维有限法反演分析坝体变形参数及多年后流变参数，得出以下结论：

(1) 外观沉降反演结果与外观监测结果较为吻合，说明反演出的筑坝材料瞬时变形和流变变形主要参数是合适的，可用于面板坝应力变形评价和预测分析。

(2) 自2018年5月30日开始的坝顶沉降增量计算结果显示，坝顶沉降随时间不断增长，2020年6月30日沉降约占计算时间段内总沉降的83%，且底河床最大断面坝0+261最大沉降为172.1 cm，发生在坝轴线上游7.5 m高程710 m处，该量值约占坝高的1.2%，变形偏大且处于尚未收敛状态。直至2022年6月左右沉降逐渐趋于稳定，计算时间段内坝顶沉降最大值为11.0 cm。由于坝体绝大部分变形已完成，后期尚有17%的变量，估计坝体最大变形量为207.3 cm。

(3) 针对此类坝体长期变形尚未收敛造成防渗系统受损的工程，无法预估修复时段，可采用坝体内部或外部变形监测资料反演坝体变形所处阶段及后期剩余变形量，为修复坝体防渗结构提供依据。