JLBLK面板堆石坝变形设计指标验证分析

袁 磊

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

我国“十二五”至“十五五”经济快速发展人民生活水平不断提高，对电的需求每年也迅猛增长，但顺应发展节能减排、“碳达峰”等重要政策提出后，一批绿色能源也得到了快速拖进，水利水电工程建设就是其中之一，特别是西北地区相关工程建设到了前所未有的高度，近年来无论是在大坝数量还是大坝高度上都有重大突破[1]，然而，国内外还有部分工程在运行后通过坝体内部监测资料及外部变形资料分析发现坝体变形量偏大[2]，从而导致防渗混凝土面板表面产生较多裂缝，严重时甚至使面板产生挤压破坏等情况[3-5]。因此，坝体的变形控制对大坝的安全运行至关重要。

设计人员在设计阶段大多采用室内试验获得设计指标下填筑料参数，再进行三维有限元分析坝体工后的最大位移、应力分布规律是否满足设计要求。本文基于JLBLK水电站坝料的室内静三轴试验静力参数进行有限元计算，通过计算填筑体与面板应力及变形，从而验证坝料设计指标的合理性。

1 工程概况

新疆JLBLK水电站，正常蓄水位752m，总库容2.32亿m3，正常蓄水位相应库容2.16亿m3，枢纽为大(2)型Ⅱ等工程，挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝顶高程757.0m，坝顶宽度10.0m，坝长460.0m，最大坝高140.3m。上游坝坡采用1∶1.5，下游坝坡上坝公路间采用1∶1.3，最大断面下游平均坡度约为1∶1.70。

坝址段河谷呈“V”字形，右岸山体较陡峻，岸坡坡度在33°～65°，局部近直立；左岸山体较缓，岸坡坡度多在25°～54°，局部有陡坎。坝址区出露的地层岩性为石英斑岩和斜长花岗岩，右岸岸坡较陡，左岸相对较缓，由于岩体受到裂隙切割、岩脉分布密度影响其风化程度略显不同，岩体主要以物理风化(温差、遇水冻胀等)为主。

大坝坝体分区从上游至下游分为上游盖重区、上游铺盖区、混凝土面板、垫层料区、特殊垫层区、过渡料区、爆破堆石料区。典型设计断面如图1所示。

图1 大坝结构分区图

坝体堆石填筑料、垫层料、过渡料的设计指标如下，除此之外在现场还进行了坝料爆破试验及现场大型载荷试验及碾压参数试验最终确实上坝材料级配、最优含水率、机具、碾压变数、厚度等重要指标。坝体主堆石区由坝区花岗岩和石英斑岩石料场开采填筑并利用部分建筑物开挖石碴料，坝壳堆石料Dmax≤800mm，要求级配连续，5mm含量10%～20%，0.075mm含量<5%，填筑标准为孔隙率n≤20%，内摩擦角>40°，渗透系数在10-2～10-3cm/s。垫层料水平宽4m，由砂砾料场筛分而成，Dmax≤100mm，小于5mm的含量为30%～45%，<0.075mm的含量不大于8%，渗透系数控制在10-3～10-4cm/s，设计相对密度Dr≥0.85。过渡料水平宽4m，由砂砾料场筛分而成，Dmax≤200mm，小于5mm含量10～20%，小于0.075mm含量<5%，设计相对密度Dr≥0.85。经四方见证进行现场取料，堆石料、过渡料、垫层料由大连理工大学岩土试验进行室内三轴试验。同时根据现场碾压试验最终也确定了各个分区填筑参数指标，见表1。

2 筑坝材料静三轴试验

2.1 试验仪器

室内三轴试验采用高精度大型液压伺服静、动两用三轴仪。该三轴系统的精度非常高且性能稳定，试验精度比普通三轴仪提高一个数量级。设备的主要性能指标如下：最大轴向力：500kN(压)/300kN(拉)；试样尺寸：300mm×600mm。

2.2 试验方法

试验材料分别为堆石料、过渡料、垫层料，各种土料的控制干密度见表1，根据大坝的设计资料，堆石料、过渡料、垫层料最大粒径均大于600mm，不满足试验仪器尺寸要求，依据当年规范要求以及现行最新规范均要求堆石料和过渡料可以通过等量替代和相似级配法进行缩尺，垫层料通过等量替代法进行缩尺[6]，以满足室内试验要求，堆石料、过渡料、垫层料试验室控制干密度分别为2.16、2.21、2.19g/cm3，试验级配曲线如图2所示。

表1 各区主要堆石料的技术要求及填筑参数指标

图2 试验级配曲线

试件制备分6层，每层10cm，分层振捣制成试样，本次试验堆石料围压为200、400、800kPa，过渡料和垫层料围压为200、500、800kPa。

2.3 本构模型

本工程坝高140.3m属于百米级高坝，坝体变形的计算模型采用目前使用较多的邓肯-张EB模型。该模型的主要计算公式如下[7-9]：

(1)

(2)

(3)

式中，K、Kb、n、Rf、m、φ—土体的试验常数，由常规静三轴试验所得；φ0—围压等于1Pa时所对应的φ；Δφ—反映φ随围压降低的参数；K—初始模量，kPa；n—反映变形模量和围压关系，无量纲；Rf—破坏比，无量纲；C——黏聚力，kPa；φ0—摩擦角，(°)；Δφ—摩擦角增量，(°)；Kb—初始模量基数，kPa；m—反映初始模量随围压变化的速率；σ1、σ3—大、小主应力，kPa；Bt—初始弹性模量，kPa;Pa—大气压强，Pa。

2.4 结果与分析

对不同材料在不同围压下的试验结果进行处理，分别得到堆石料、过渡料、垫层料的偏应力σ1-σ3～εa关系和εv～εa关系如图3所示。

图3 不同坝料εv～εa关系曲线

由图可知，3种筑坝材料σ1-σ3～εa关系和εv～εa关系均满足一般规律，由表可知，筑坝堆石料、过渡料、垫层料的强度参数Φ0在44.5°～51.4°之间，ΔΦ在6.7°～12.9°之间，均在经验的范围内。3种坝料的K、n、Kb和m等参数也符合一般规律。

已建面板坝原观资料表明，堆石坝的变形在建成后若干年逐渐停止，堆石的流变在宏观上是衰减的。狭窄河谷堆石坝工后变形对防渗体应力影响至关重要，因此，在设计阶段也对上述填筑坝料进行了流变试验，本工程由大连理工大学在沈珠江流变模型基础上结合多年试验成果提出的三参数流变模型，以便计算坝体工后变形量。坝体变形计算时考虑坝料流变引起的应变增量，需要通过流变试验成果整理出体积流变εvf以及剪切流变γf与应力之间的经验函数表达式[10]。在三参数流变模型基础上，将堆石体流变变形的体积流变εvf和剪切流变γf的计算公式修正为[11]：

(4)

式中，m1、m2、m3，b、c、d—模型参数；q—偏应力；Sl—应力水平;σ3—小主应力，kPa;Pa—大气压力，Pa。

3 三维静力有限元计算分析

3.1 算模型及参数

通过建立本工程坝体各个区、面板的三维有限元网格用于变形计算，采用南京水科院自编程序进行计算，模型被离散为47145单元6面体实体实体单元，如图4所示，节点共计28889个。考虑混凝土面板与垫层刚度差异较大，且在运行过程中可能存在脱空的可能性，因此，混凝土与散粒体接触均采用Goodman接触单元用于模拟不同材料的错动与剪切变形[9-12]。

图4 大坝三维网格图

通过上述试验成果整理参数，本次计算需要的三种筑坝材料邓肯EB模型参数，见表2，混凝土面板、混凝土趾板、基岩参数见表3，面板与垫层料之间接触面的模型参数见表4；面板缝受压时取木板模量1000MPa。坝体流变模型参数见表5。

表2 邓肯E-B模型参数

表3 线弹性材料参数

表4 接触面参数

表5 坝体流变模型参数

3.2 工程模拟及计算工况

坝体填筑和蓄水有限元模拟的荷载步见表6。

表6 三维有限元计算分析荷载步

3.3 结果与分析

通过设计拟定填筑参数、室内三轴试验成果及数值分析，将静力计算成果列于表7。

表7 三维有限元计算堆石体应力变形最大值表

(1)竣工期坝体最大水平位移向上游32cm，向下游29cm，垂直沉降为51cm占坝高的0.36%，且坝体应力水平不高。

(2)满蓄期坝体最大水平位移向上游27cm，向下游33cm，垂直沉降为54cm占坝高的0.38%。面板法向挠度为9cm，轴向拉应力0.3MPa，压应力4.7MPa，顺坡向拉应力1.2MPa，压应力2.1MPa，拉压应力值均小于C30混凝土允许拉应力1.43MPa及允许压力应力14.3MPa要求。周边缝最大剪切变形量为0.82cm，小于该处铜止水剪切允许变形量10cm的要求，最大张开量1.34cm，小于允许张开量10cm的要求。垂直缝顺坡最大剪切变形量0.86cm，小于该处铜止水剪切允许变形量10cm的要求，最大张开量为0.34cm，小于允许张开量8cm的要求。

(3)坝体运行2年后最大垂直沉降为60cm占坝高的0.43%如图5所示。最大水平位移向上游25cm，向下游33cm如图6所示。面板法向挠度为12.1cm，轴向拉应力0.6MPa，压应力6.2MPa，顺坡向拉应力1.0MPa，压应力3.4MPa。周边缝最大剪切变形量1.22cm，小于该处铜止水剪切允许变形量10cm的要求，最大张开量为1.20cm，小于允许张开量10cm的要求。垂直缝顺坡最大剪切变形量为0.84cm，小于该处铜止水剪切允许变形量10cm的要求，最大张开量为0.45cm，小于允许张开量8cm的要求。以上变形值符合堆石坝一般变形规律。结合表8国内外百米级面板堆石坝的沉降变形量，本工程与表中同类型坝[12-14]在竣工期及运行多年后的沉降变形量比较，各部位最大变形量偏小，符合同类型面板堆石坝的一般变形规律。

表8 国内外百米级堆石坝沉降变形量统计表

4 结语

JLBLK水电站面板堆石坝最大坝高140.3m，鉴于国内外100～200m级混凝土面板堆石坝面临的变形控制难的问题，设计阶段给出坝体堆石填筑料、垫层料、过渡料的设计指标，对上述填筑料进行室内试验，试验参数均符合一般规律。采用设计指标下的三轴参数通过三维有限元计算可知，在竣工期、满蓄期以及运行2年后坝体变形均符合一般规律，坝体填筑料最大剪应力水平为0.72小于1.0无明显剪切破坏。按照本次所提设计指标，本工程与国内同类型大坝变形量相比偏小，表明填筑标准较高，设计指标的合理，可以有效的控制坝体的变形。