流变效应对面板堆石坝变形影响分析

皮玉红

(铜仁市万山区水务局，贵州 铜仁 554200)

1 项目背景

混凝土面板堆石坝因对各类基础适应性强、就近取材和造价低廉等诸多优点，因此被广泛运用于水利工程中，本文针对大坝填筑过程中平行检测时发现填筑料级配指标与混凝土面板堆石坝设计规范及技术要求不完全相符，现场对坝体堆石区、过渡区和垫层区不同位置布置了多组物理力学试验，再根据试验力学指标对大坝应力变形进行三维有限元计算，并通过在流变效应2种工况下进行坝体和面板应力变形的不同结果进行对比分析，为后期面板垂直压性缝的缝宽设置提供依据，对有效预防面板开裂起到至关重要作用，可供同类工程借鉴。

2 坝体填筑质量分析

2.1 试验布置

白泥水库位于贵州省松桃县大沟河上，总库容218万m3，属Ⅳ等小(1)型水库工程。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高52m，上下游坝坡均为1∶1.4，坝体填筑量52万m3。大坝填筑至高程481m时，经现场试验及监理方质量检测，发现筑坝材料存在级配不均匀、碾压后易破碎等不利情况。

为了对坝体填筑质量进行全面评价，依据SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》要求，在坝体现场共布置了9组试验，其中堆石区、过渡区和垫层区在481m高程处各布置2组试验；下游马道处只考虑堆石区，分别在476、463、450m高程处布置3组试验。

2.2 试验检测结果分析

现场密度、渗透系数及孔隙率进行试验，其成果见表1，各项指标均满足SL 228—2013《混凝面板堆石坝设计规范》要求。

表1 现场密度、渗透系数、及孔隙率试验成果表

按照SL 228—2013和设计技术要求，颗粒级配分析试验成果结论如下：

(1)堆石料实测最大粒径600mm，最大粒径满足要求；粒径300～600mm含量偏少，粒径10～100mm含量偏多。

(2)过渡料级配良好，级配较连续，最大粒径未超过300mm，满足规范要求。

(3)垫层料级配连续，小于5mm粒径颗粒含量32.0%～33.5%，小于规范要求的35%～55%；小于0.075mm含量2.8%～3.4%，小于规范要求的4%～8%。

(4)堆石区、垫层区和过渡区渗透系数均满足设计规范要求。

3 大坝应力三维有限元分析

3.1 基本理论与方法

仿真分析中所用到的计算模型有2种，其中静力部分采用堆石料邓肯E-B本构模型，流变部分采用南科院七参数流变模型，接触模拟主要设置在面板与面板之间，面板与趾板之间，面板与垫层之间，采用摩擦接触来模拟。

堆石料是一种非线性材料，具有各向异性、剪胀(缩)性和压硬性等特征，由于面板附着在堆石体上游面，因此堆石体的应力变形直接影响面板、接缝的应力变形，而面板、接缝能否正常发挥作用则是保证面板堆石坝安全运行的关键，对高面板堆石坝尤其重要。因此必须采用合适的本构模型来模拟堆石料的应力应变关系，而邓肯E-B模型能较好地反映堆石材料的变形特征，并且模型的计算参数获得比较简单，因此本次计算采用邓肯E-B模型。

3.2 面板堆石坝应力变形分析

3.2.1E-B模型计算参数

混凝土材料采用线弹性材料参数，混凝土面板为厚度0.4m的等厚面板，距10m或8m设一条垂直缝，趾板厚度和宽度分别为0.5m和5m，面板和趾板混凝土容重取25kN/m3，均采用C25混凝土，弹性模量为28GPa，泊松比0.167，堆石料、过渡料、垫层料计算所用参数通过做大型静力三轴试验获得，其结果见表2。

表2 E-B模型参数

坝体分区为：混凝土面板、垫层区、过渡区、主堆石区和堆砌石区，堆石体本构模型采用邓肯E-B模型，堆石体材料分区如图1所示。

图1 堆石体材料分区

3.2.2七参数流变本构模型计算参数

本次计算考虑流变，堆石料流变参数采用七参数流变本构模型参数值，见表3。

表3 七参数流变本构模型参数

3.2.3计算模型

在堆石坝应力、变形仿真计算中，堆石体的本构关系采用邓肯E-B模型，混凝土面板视为线弹性体，面板与垫层之间的接触面、面板竖缝以及周边缝的模拟采用三维非线性面-面摩擦接触单元。

面板坝共离散为37148个单元，49932个节点，主要采用8结点6面体单元，为适应边界过渡，采用部分棱柱体单元，白泥水库面板堆石坝三维有限元计算模型及坝体材料分区示意如图2所示。坝体部分单元大小为2.5m左右，面板部分单元长边为1m左右，沿厚度方向分为3层建模。

图2 三维有限元模型

3.2.4坝体计算结果及分析

根据理论方法和建模计算，在不考虑流变效应和考虑流变效应2种计算工况下，最大断面坝体应力和变形极值见表4。其位移及应力的正负号规定：坝体竖向位移以向下为正，水平位移以指向下游为正；坝体应力以压应力为正，拉应力为负。

结论分析：从表4和图3—8可知，不考虑流变效应与考虑流变效应2种工况下坝体位移、沉降和应力值总体相差不大，总体上考虑流变特性后位移、沉降、应力值增大；对比现场观测记录，大坝沉降值与考虑流变效应工况更加接近，符合面板坝的一般规律。

图3 不考虑流变效应的竣工期坝体水平位移图(单位：cm)

图4 考虑流变效应的竣工期坝体水平位移图(单位：cm)

图5 不考虑流变效应的蓄水期坝体沉降图(单位：cm)

图6 考虑流变效应的蓄水期坝体沉降图(单位：cm)

图7 不考虑流变效应的蓄水期坝体大主应力图(单位：MPa)

图8 考虑流变效应的蓄水期坝体小主应力图(单位：MPa)

表4 坝体应力和变形极值

(1)竣工期坝体水平向上游位移值基本一样，其位移最大值1.86cm；在蓄水期和稳定期，考虑流变后，坝体向上游位移减小，向下游位于增大；最大值2.04cm，发生在稳定期。施工期坝体水平位移以坝轴线为界，呈对称分布，由于坝体自重，使得上游侧坝体向上游移动，靠下游坝体向下游移动。

(2)考虑流变效应情况下稳定期，在坝体中间，位于1/2坝高处发生最大沉降，其最大值为9.49cm，约占坝高0.2%，远低于规范值。

(3)坝体最大主应力和最小主应力发生在蓄水期，其最大值0.74MPa，最小值0.29MPa。

3.2.5面板计算结果及分析

在不考虑流变效应和考虑流变效应2种工况下，面板应力和变形极值见表5。面板变形和应力如图9—12所示。

表5 面板应力和变形极值

通过图9—12看出，在不考虑流变效应和考虑流变效应2种工况下，面板最大挠度均发生在河床中间面板1/3～1/2坝高处；面板轴向位移呈现两岸向中间移动趋势；面板轴向应力和面板顺坡向应力发生在中间面板1/3坝高处，其数值呈现两岸低中间高，但均在规范允许范围内。

图11 不考虑流变效应的蓄水期面板应力图(单位：MPa)

图12 考虑流变效应的蓄水期面板应力图(单位：MPa)

4 结论

白泥水库工程已经正常蓄水运行2年，充分验证了白云岩完全可以选作面板堆石坝的填筑材料，建议在设计和施工过程中应注意以下问题：

(1)在坝体填筑过程中控制填料级配，加大堆石区大粒径填料含量，简易分选；

(2)坝体填筑完成后，预沉降6个月或待坝体沉降速率小于5mm/月后低温季节再浇筑面板，且面板压性垂直缝的缝宽必须大于8mm，避免面板发生挤压破坏。