芻議面板堆石壩流變分析與預(yù)沉降時(shí)間措施

1、    芻議面板堆石壩流變分析與預(yù)沉降時(shí)間措施    段武摘 要：堆石體變形控制是保證面板堆石壩防滲體系安全的重要措施，變形控制的重點(diǎn)在于控制面板澆筑后的堆石體變形，預(yù)沉降是重要工程措施之一?；诖?，本文主要分析了面板堆石壩流變分析與預(yù)沉降時(shí)間措施。關(guān)鍵詞：面板；堆石壩流變；預(yù)沉降時(shí)間；措施一、面板堆石壩流變分析（一）計(jì)算網(wǎng)格參照壩體的施工及蓄水過(guò)程進(jìn)行三維模擬，以壩橫0±000.00m為x軸，以壩軸0±000.00m為z軸，豎直方向?yàn)閥軸，豎直方向坐標(biāo)采用實(shí)際高程坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)該面板壩基礎(chǔ)開(kāi)挖圖、壩軸線橫剖面圖以及實(shí)際的

2、壩料分區(qū)情況，面板中部沿壩軸線方向每隔12m取一個(gè)斷面，靠近岸邊部位分隔加密而建立幾何模型，將整個(gè)壩體沿壩軸線劃分35個(gè)斷面。整個(gè)面板壩被分為6188個(gè)單元，6812個(gè)結(jié)點(diǎn)。（二）計(jì)算模型參數(shù)本節(jié)計(jì)算中，堆石料本構(gòu)模型采用鄧肯張e-b模型，其參數(shù)c、0、k、n、rf、kb、m、kur、nur由常規(guī)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理回歸得到。流變計(jì)算則選用增量流變模型，其參數(shù)由類(lèi)比已有面板壩工程的流變參數(shù)得到；另外，混凝土采用彈性模型，面板與墊層間、面板接縫均設(shè)置接觸面軟單元。（三）計(jì)算工況本次計(jì)算根據(jù)壩體實(shí)際填筑與蓄水過(guò)程進(jìn)行仿真加載，考慮水荷載是在壩體填筑完成并達(dá)到穩(wěn)定變形后進(jìn)行。主要分析正常蓄水位工況（自重

3、+水壓力+浪壓力，上游水位從295.0m起算，按每10m一級(jí)逐步增加至正常蓄水位355.0m）下壩體及面板的變形應(yīng)力情況。（四）成果分析1、堆石流變對(duì)壩體變形應(yīng)力的影響?？紤]堆石料的流變效應(yīng)，蓄水期壩體沉降67.30cm，相比不考慮流變時(shí)增加8.70cm，流變變形占總變形約八分之一；水平向下游位移達(dá)到37.40cm，比不考慮流變稍微增加。另外，較不考慮流變情況下，大主應(yīng)力變化規(guī)律及極值變化較小，而小主應(yīng)力略有松弛?？傮w上，符合流變現(xiàn)象中堆石體蠕變、應(yīng)力松弛的規(guī)律。2、堆石流變對(duì)面板變形應(yīng)力的影響?？紤]堆石流變效應(yīng)后，面板最大撓度23.35cm，較不考慮流變時(shí)增加3.15cm；面板壩軸向位移也有

4、所增大。水庫(kù)蓄水，在水壓力作用下，面板絕大部分區(qū)域?yàn)槭軌籂顟B(tài)，而在面板端部及兩岸存在局部拉應(yīng)力區(qū)，部分區(qū)域拉應(yīng)力較大?？紤]堆石的流變特性，面板順坡向最大壓應(yīng)力及拉應(yīng)力值分別為6.07mpa與2.03mpa；壩軸向最大壓應(yīng)力與拉應(yīng)力值分別為1.84mpa與1.37mpa，均較不考慮流變效應(yīng)計(jì)算結(jié)果偏大。由此可見(jiàn)，考慮堆石體流變后，面板變形和應(yīng)力總體上均有所增加，這與混凝土彈性材料的線彈性應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律相吻合。二、不同預(yù)沉降時(shí)間影響分析為了減小流變變形對(duì)面板應(yīng)力變形的影響，實(shí)際工程施工中一般會(huì)采取一定的預(yù)沉降時(shí)間。研究壩體填筑完成后不同預(yù)沉降時(shí)間的影響是選擇預(yù)沉降時(shí)間的關(guān)鍵，本文進(jìn)一步計(jì)算了預(yù)沉降時(shí)

5、間分別為60天、120天、180天和360天的施工期方案。如圖1給出了計(jì)算得到的5種不同的施工期方案壩體沉降最大值增量隨時(shí)間變化的曲線，壩體沉降最值增量由運(yùn)行期的最值減去相應(yīng)蓄水完成期的最值得到，各種施工方案壩體沉降增量均隨著運(yùn)行時(shí)間增加而增大；由相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，預(yù)沉降時(shí)間較長(zhǎng)的施工方案運(yùn)行期流變變形較小，引起的壩體沉降增量也較小。從其他數(shù)據(jù)分析，并給出不同的施工方案的面板撓度隨時(shí)間變化曲線，各種方案的面板撓度均隨著運(yùn)行時(shí)間逐漸增加，而預(yù)沉降時(shí)間較長(zhǎng)的施工方案運(yùn)行期流變變形較小，運(yùn)行期的面板撓度也就越小。不同施工方案計(jì)算得到流變變形對(duì)面板應(yīng)力影響規(guī)律與上一節(jié)類(lèi)似，但面板應(yīng)力大小受預(yù)沉降時(shí)間的

6、影響較大。由相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，不同施工方案面板順坡向和水平向應(yīng)力最值，可以看出預(yù)沉降時(shí)間越長(zhǎng)，面板的壓應(yīng)力最值越小，對(duì)面板的安全性也越有利。三、預(yù)沉降時(shí)間選擇的探討由上述計(jì)算成果可知，預(yù)沉降時(shí)間越長(zhǎng)，面板施工完成后的壩體流變變形就會(huì)越小，對(duì)面板應(yīng)力和變形的影響也就越小，從應(yīng)力和變形的角度來(lái)說(shuō)大壩也就越安全。然而，預(yù)沉降時(shí)間越長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致施工期變長(zhǎng)和工程投資的相應(yīng)增加。因此，在確保大壩應(yīng)力變形安全的前提下，應(yīng)選擇對(duì)施工和工程投資有利的預(yù)沉降時(shí)間。從變形速率看，見(jiàn)圖1，當(dāng)預(yù)沉降時(shí)間為120天時(shí)，面板澆筑后100天內(nèi)的壩體沉降速率約為6mm/月，且變形速率已趨于收斂，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，預(yù)沉降時(shí)間不小于120天是合適的。從沉降量來(lái)看，預(yù)沉降時(shí)間小于180天時(shí)，大壩沉降和面板應(yīng)力最大值隨預(yù)沉降時(shí)間增加顯著減??；而預(yù)沉降時(shí)間大于180天時(shí)，這種變化則不太明顯，所以選擇預(yù)沉降時(shí)間不需大于180天。根據(jù)實(shí)際工程需要，對(duì)于積石峽面板堆石壩，選擇120天