李 伟,徐广勇

(费县许家崖水库管理中心,山东 临沂 273400)

1 概 述

随着我国水利水电工程的快速发展,混凝土面板堆石坝逐渐成为我国水电站坝体的主要坝型之一。但受到水位升降、地震及多种内外应力的影响,混凝土面板堆石坝在运营过程中可能发生渗透破坏、开裂及变形过大等工程问题。

针对混凝土面板堆石坝的变形及破坏机理问题,许多学者进行了相关研究与分析。池仑等[1]基于大量的实际工程,总结分析了混凝土面板堆石坝施工后坝顶沉降及面板应变特性,并在此基础上,总结了坝体变形的影响因素。陈小攀等[2]基于数值模型,研究了混凝土面板堆石坝应力变形特性。结果表明,坝体竣工期的变形占坝体高度的0.63%左右;而蓄水期的沉降变形有所增大,占坝高的0.66%左右。并在坝体变形特性的基础上,提出了合理的治理措施。刘永涛等[3]基于现场监测资料,详细分析了混凝土面板堆石坝水下面板裂缝成因,并采用数值模拟,对裂缝的形成和扩展过程进行模拟。结果表明,温度对裂缝的形成影响较小,而施工质量是裂缝形成和扩展的主要诱因,实际工程中应着重考虑施工质量监督。欧波等[4]采用三维有限元,研究了流变效应对狭窄河谷高面板堆石坝应力变形的影响。结果表明,考虑流变效应的堆石坝变形相较于不考虑流变效应的变形和应力均有所增大,因此,在峡谷地区设坝时,要充分考虑流变效应。左雷高等[5]依托天星坝水库混凝土面板堆石坝工程,采用数值有限元,详细分析了堆石坝在施工期和竣工期的应力应变特性。结果表明,采用肯-张E-B模型,对坝体的变形特性进行分析与实际情况基本一致,表明坝体方案设计的可行性。杨星等[6]以混凝土面板堆石坝为研究对象,研究了堆石坝在正常蓄水位下的应力应变特性。结果表明,正常蓄水位下,面板处于受拉状态,蓄水后面板发生变形,但整体来看,变形满足规范的安全性要求。王开拓[7]基于有限分析方法,分析了面板水平缝对蓄水面板的应力应变影响。结果表明,裂缝数量可以弱化裂缝周围的应力状态,面板压应力与面板的裂缝宽度呈反相关关系。利光彬、季日臣[8]采用数值计算,分析了镶嵌式混凝土面板堆石坝应力变形。结果证明,混凝土面板堆石板比普通大坝对于减小上游位移和沉降量更优。随着坝体高度的增大,面板拉应力和裂缝值逐渐减小。梁希林、刘枫[9]基于双沟水电站面板堆石坝工程,采用反演法,分析了该坝的变形特征。结果表明,反演法能够合理解释水库蓄水3年后的变形,为相似工程的设计与计算提供了新的思路。

本文基于数值模拟,分析某混凝土面板堆石坝在蓄水期间堆石坝的应力应变特性,研究成果可为类似工程设计提供参考与借鉴。

2 工程概况

某新建混凝土面板项目,坝址所在河流长4km,整条河流坡降约40%。坝体主要组成部分由堆石区、混凝土面板、趾板等组成。其中,混凝土面板采用C25混凝土制作,大坝总高度32m,顶宽约5m。规模为IV级。堆石坝上游和下游坡比均为1:1.5。根据相关规范,大坝设计的洪水重现期为30年。对应的设计洪水位430.11m,校核洪水位431.16m。水库的正常蓄水位430m。该混凝土面板堆石坝的典型剖面图见图1。

图1 堆石坝典型剖面图

3 数值模型

3.1 数值模型与参数

为充分考虑混凝土面板坝长期变形效应,本文采用ABAQUS数值软件进行建模和计算,模型的本构参数选用能够模拟材料长期变形的亚塑性本构模型。该模型通过材料的硬度系数变化,分析材料刚度的影响,最终模拟材料长期的变形特性。

根据图1建立数值计算模型,模型网格共822个,采用双线性四边形单元格进行模拟。混凝土面板与过渡层、过渡层与堆石料之间的法向接触均采用硬接触模拟,切向接触均采用罚函数定义。本文模型计算所采用的物理力学参数见表1。混凝土材料和基座采用理想的弹性本构进行考虑,其中弹性模量20GPa,泊松比0.18,密度2 500 kg/m3。为了计算简便,假设坝体基础为刚性基础,并约束底部3个方向的自由度,左右边界和上边界均为自由边界。

表1 材料力学参

表1中,k0为材料硬度;fs刚度系数;k1为风化后的固体硬度;φ为初始摩擦角;ed为最小孔隙比;ec临界孔隙比;ei为最大孔隙比;α、β为系数。

3.2 计算步骤

为了充分模拟坝体的长期变形效应,本文模拟步骤如下:①首先进行初始应力分析,得到重量荷载下的应力分布;②激活主堆石和趾板计算;③计算水位上升导致的堆石坝变形;④模拟堆石坝材料和过渡层刚度退化导致的长期变形。

4 计算结果与分析

首先使用参数A进行计算分析,得到大坝垂直位移等值线,见图2。由图2可知,蓄水初期,大坝下游处的变形基本为零;随着蓄水时间长度的增大,下游侧逐渐产生变形。此外,在混凝土板的1/2处,垂直变形最大。由于材料的硬度下降,进一步导致坝体发生蠕变效应。根据蓄水和15年后的孔隙比降低曲线发现,大坝孔隙比降低等值线的变化趋势基本与垂直位移一致。蓄水初期,大坝下游处孔隙比降低基本为零;随着时间的增大,孔隙比降低向下游扩展,见图3。总体来看,在本文假定的材料硬度改变下,坝体长期变形相较于蓄水导致的变形更为显著。

图2 大坝垂直位移等值线 (单位: cm)

图3 大坝孔隙比降低等值线

图4为水库不同时段混凝土面板的挠度曲线。其中,曲线2为蓄水初期变形曲线,曲线3为蓄水第一年变形曲线,曲线4为蓄水两年后的变形曲线,曲线5为蓄水3年后的变形曲线。图4表明,蓄水不同时段混凝土面板的挠度变化并不明显,最大挠度发生在面板中心位置。此外,长期蓄水会导致混凝土面板顶部发生明显的单调增大效应。

图4 混凝土面板变形

图5为大坝运营3年内的坝体长期蠕变过程的数值计算结果。由图5可知,在计算的3年内,3种参数下,大坝坝顶的沉降均表现出随时间的增大而先增大后趋于稳定。对于A参数而言,坝顶变形主要集中于前两年内;对于B参数而言,坝顶变形主要集中于前1.5年内;对于C参数而言,坝顶变形主要集中于前0.8年内。此外,3种参数对于坝顶的最大沉降变形值有所不同。A参数得到的坝顶最大沉降为0.06%坝高,B参数得到的坝顶最大沉降为0.1%坝高,C参数得到的坝顶最大沉降为0.12%坝高。总体来看,在本文考虑的亚塑性本构模型下,材料的蠕变变形与材料的硬度系数有关,即坝体的最终蠕变值、最终硬度值均与初始硬度值的差值有关。

图5 大坝蓄水3年内的变形

5 结论与建议

5.1 结 论

本文采用亚塑性模型,研究了混凝土面板堆石坝在蓄水后变形特征,结论如下:

1)亚塑性本构模型能够充分考虑材料的蠕变特性,对于描述大坝在蓄水多年后的蠕变变形是比较合理的。

2)由于材料的硬度下降,材料刚度退化,导致坝体发生蠕变效应。根据蓄水初期和15年后的变形等值线图和孔隙比降低曲线发现,坝体长期变形相较于蓄水导致的变形更为显著;蓄水不同时段面板的挠度变化并不明显,最大挠度发生在面板中心位置。蓄水长期会导致混凝土面板顶部发生明显的单调增大。

3)材料的蠕变特性与材料的硬度系数有关。具体来看,坝体的最终蠕变值、最终硬度值均与初始硬度值的差值有关。

5.2 建 议

混凝土面板堆石坝具有适应性强、建设成本低、度汛方便、施工效率高等优点,成为较为常见的坝体类型。为了保证施工质量,需要做好原材料质量控制、选择合格的筑坝材料、做好科学配比;加强坝体填筑过程质量控制,尤其是分层厚度及压实度需满足要求;混凝土面板浇筑振捣密实,及时做好收面、养护,避免面板裂缝及渗漏,进而控制混凝土面板堆石坝变形。