安村水库大坝堆石料流变变形分析

谢玉华

（遂川县水利工程建设管护中心，江西 吉安 343900）

0 引 言

堆石坝因具备较好的基础适应性，能就地取材，造价低，抗震性好，而在水利水电工程中得到广泛应用。但工程运行结果表明，堆石坝在长期运行过程中堆石料存在较大流变变形，且堆石坝高度越大，堆石料流变变形更严重。水库大坝堆石料流变变形使大坝防渗体受力性状恶化，甚至引发面板脱空、挤压破碎、拉伸裂缝，十分不利于堆石坝后期正常运行。同时由于堆石料流变变形模型参数存在较大的确定难度，技术人员很难对堆石料流变变形展开准确分析和深入了解。室内试验所得到的堆石料流变规律与工程现场运行结果不尽相同，室内流变试验变形稳定速度快，通常7～10d 即可达到稳定状态；但堆石坝实体流变变形通常会持续若干年。所以，室内试验流变参数无法准确反映现场坝体运行实际。而借助大坝实测资料展开反演分析为堆石料流变参数确定提供了可能。但当前对相关数学模型的研究并不充分，分析精度也不高，再加上水库大坝堆石料施工及蓄水过程中弹塑性瞬时变形以及随时间变化的流变变形混杂交错，很难分离；根据变形反演堆石料流变参数的可靠性也受到影响。现有研究成果主要集中在100～200m 级的堆石坝，对300m 级堆石坝流变变形研究较少。

基于此，文章以具体的水库工程为例，展开大坝堆石料流变试验及三维有限元数值模拟，对300m 级堆石坝坝料流变特性及对坝体安全的影响进行研究，为大坝安全运行提供借鉴。

1 工程概况

安村水库位于赣江水系遂川江南支（左溪河）上游遂川县汤湖镇白土村，地理位置E114° 08′ 55.68″，N26° 03′ 47.88″ 。 距遂川县城68km，坝址以上控制流域面积135km2，水库正常蓄水位与设计洪水位相同，均为430.00m（黄海高程），总库容2 003.2×104m³，相应500a 一遇校核洪水位431.35m，电站装机3×4 000kW，多年平均发电量为4 380×104kW·h。该水库大坝从上游至下游坝体材料分区依次为垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、下游堆石区；水库大坝于2018 年3 月建成蓄水。

2 堆石料流变试验

2.1 试验设计

制备直径300mm、高700mm 的坝料试样，上下游堆石料试样干密度分别为2.15g/cm³ 和2.078g/cm³；试验级配见表1。试验开始后，先结合饱和样所对应的常规三轴试验对强度指标展开确定，具体需要量化确定围压取0.5MPa、1.2MPa、2.0MPa、3.0MPa 以及应力取0MPa、0.35MPa、0.5MPa、0.8MPa 时的偏应力水平值。但是，如果三轴应力取值情况已知，则只需要采用常规三轴试验在相等的试验压力下，使试样固结并剪切至设计应力，在此基础上在确定的应力水平下再实施流变变形试验，按照相邻24h 读数差与总流变量之比不超出5%的规则对试验结果实施控制[1]。

表1 堆石料试验级配

2.2 试验结果

根据试验设计，在进行堆石料流变变形试验时，先将试料剪切至设计应力水平，再测定既定偏应力下可能的流变量[2]。因为荷载施加后堆石料随即会发生流变，故应将荷载施加点视为流变起点，并以流变变形稳定点为流变终点。下游堆石料体积流变、轴向流变、剪应变流变等试验结果见表2。根据表中试验结果，对于围压较低的堆石料，流变明显较小，随着围压的增大，堆石料流变特性表现更加突出，当围压达到3.0MPa 且应力水平为0.8MPa 时，堆石料最终轴向变形、最终体积流变和最终剪应变流变分别达到1.3658%、1.1003%和0.9990%。堆石料流变除受到围压影响外，还受到剪应力的较大影响。在堆石料变形尺寸效应的作用下，堆石坝试样达到设计稳定状态基本需要7d 时间，但根据原观测资料所判断出的工程现场坝料流变效益持续时间可达到1～2a。

表2 下游堆石料流变变形试验结果

3 有限元分析

3.1 模型构建

在剖分三维有限元网格时，以8 结点六面体等参单元为实体单元，考虑到坝料分区变化及边界条件，部分按照退化的六面体单元处理，共剖分为10 341 个单元和10 556 个节点。应用模型进行坝体分成填筑、面板浇筑、蓄水过程等的模拟。坝体和基岩接触面、面板和挤压墙接触面、挤压墙与垫层料之间的等效接触面等模型参数，均通过大型接触面试验予以确定。

计算过程中，通过逐级加载的方式对坝体2018 年3 月开始建设到2020 年12 月建成蓄水之间的运行过程展开模拟，并通过水荷载分级施加方式展开水库蓄水期堆石坝流变变形模拟。

3.2 分析结果

3.2.1 流变模型参数反演

该水库大坝上游坝坡为1∶1.4，堆石坝静力分析弹塑性模型参数见表3。该水库堆石坝最大断面轴线处3 个不同高程测点位置见图1，将反馈参数流变计算结果和沉降实测结果展开比较分析。

图1 堆石坝典型高程测点的位置（单位：m）

表3 堆石体静力分析弹塑性模型参数取值

3 个测点流变参数反演计算的累计沉降流变变形和实测沉降的比较见图2～图4。根据图中结果，3 个测点堆石料流变变形实测值、室内模型值和三维模拟结果在发展规律上具有较好的吻合度；其中高程235m 和265m 的总体沉降变形发展规律与实测值较为接近，但高程300m 的沉降变形发展规律模型结果和模拟结果与实测值存在一定程度的偏离，造成这种现象的原因主要在于测点数值波动较大而引起测点测量误差以及流变模型系统误差[3]。

图2 堆石坝235m 高程中心点沉降变化趋势

图3 堆石坝265m 高程中心点沉降变化趋势

图4 堆石坝300m 高程中心点沉降变化趋势

根据对不考虑堆石料流变满蓄情况下大坝沉降变形的分析可知，在该情况下模拟出的堆石坝满蓄时最大沉降量为2.31m，而考虑流变效应后的最大沉降为2.43m，增大了5.1%。结合工程施工实际，水库大坝浇筑至上游侧360m 高程时最大沉降仅为1.92m，结合坝体流变变形发展趋势，考虑流变效应后最大沉降量的预测结果合理可信，预测值基本位于合理范围。

3.2.2 河床断面变形

根据堆石料流变变形所引发的填筑施工期内河床断面变形矢量图，上下游两侧堆石料流变变形较大，进而向心墙方向持续挤压，由此所产生的上下游侧、垂直向最大流变变形分别为14.3cm、9.0cm、54.9cm。考虑流变效应后指向下游侧的顺河向位移呈增大趋势，最大值增至67.1cm；指向下游侧的顺河向位移则减小，最大值降至25.9cm；垂直向沉降增至309.4cm[4]。

通过分析堆石料流变变形影响下水库大坝蓄水10a 后河床最大断面变形矢量可以看出，大坝运行期间，坝料流变变形呈现出从心墙向上下游两侧挤压的态势，指向上下游侧顺河向位移增量分别为4.9cm、7.2cm，垂直向位移增量为14.1cm。考虑到该水库大坝填筑周期长达5a，主要流变变形发生在蓄水期之初，在此后的运行过程中流变变形较小。

分析堆石料流变变形影响下水库大坝蓄水10a后河床最大断面顺河向位移及沉降等值线图可以看出，蓄水后大坝堆石料流变变形方向主要从心墙向两侧挤压，且指向上游侧顺河向的位移最大值增至28.5cm，指向下游侧顺河向位移最大值降至60.4cm；最大沉降量增至316.7cm。

4 结 论

综合文章分析，水库大坝堆石料流变现象主要由堆石体物理力学属性、应力等引起，在堆石料发生流变后，剪应变主要呈增大趋势，体积应变也因为围压的增大而持续增大。根据仿真模拟分析结果，在无堆石料流变变形影响的情况下，例如蓄水期内，坝体最大沉降约为坝高的0.8%；考虑流变变形后蓄水期坝体最大沉降约为坝高的1.0%，且发生位置偏低。对于该水库实际而言，堆石料流变变形主要发生在2018 年3 月开始建设到2020 年12 月建成蓄水之间，此后运行期内流变变形趋于稳定。考虑到影响水库堆石坝坝料流变特性的因素众多，文章分析结果仍有待进一步工程检验。