第３７卷第１１期 ２０１１年１１月 水力发电 积眉峡面板堆眉坝应力变形分析 洪镝 ，刘 超 ，张嘎 （１．黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海西宁８１００００； ２．清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京１０００８４） 摘要：基于积石峡水电站面板堆石坝填筑的沉降观测资料，采用三维有限元计算方法，得到大坝各类材料的模型 参数。分析结果表明，监测值和计算值变化过程符合较好，说明了计算模型及所得参数的有效性。在此基础上，对 大坝的应力变形特性进行了计算分析，得到了积石峡水电站面板堆石坝蓄水后的应力变形特性。 关键词：面板堆石坝；变形；应力分析；计算模型；积石峡水电站 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｊｉｓｈｉｘｉａ Ｆａｃｅ Ｒｏｃｋｆｉｎ Ｄａｍ Ｈｏｎｇ Ｄｉ ，Ｌｉｕ Ｃｈａｏ２，Ｚｈａｎｇ Ｇａ２ （１．Ｔｈｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｂｒａｎｃｈ Ｃｚｍｐａｎｙ ｏｆ Ｈｕａｎｇｈｅ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉｎｉｎｇ ８１００００，Ｑｉｎｇｈａｉ， Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｙｄｒｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｏｆ Ｊｉｓｈｉｘｉａ Ｆａｃｅ Ｒｏｃｋｆｉｌｌ Ｄａｍ ｄｕｎｎｇ ｆｉｌｌｉｎｇ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉｌｓ ａｒｅ ｏｂｔａａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ａｎｄ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｅ Ｄａｍ ａｒｅ ｃａｌｔｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｆａｃｅ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；Ｊｉｓｈｉｘｉａ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＶ６４１．４３；ＴＶ６９８．１１（２４４） 文献标识码：Ａ 文章编号：０５５９—９３４２（２０１１）１１－００１５－０３ 积石峡水电站面板堆石坝坝高１０３ Ｉｎ，主要由 面板、垫层料、过渡料、主堆石和次堆石等构成， 坝体分层均匀填筑至设计高程，填筑量约２９６万ｍ 。 ２０ ０００ ＭＰａ，泊松比为０．１６７。垫层料、过渡料和堆 石料采用清华大学混合料加载模型模拟［２１，并分别采 用改进湿化模型［３１和沈珠江三参数流变模型［４１描述堆 石料的湿化和流变特性。垫层料和过渡料的模型参 数根据室内大型试验确定。 其中．堆石料主要采甩了开挖料，岩性构成较为复 杂，后期变形可能较大。坝体施工结束后再进行面 板施工 坝体竣工以后蓄水至设计水位。因此，需 要对该面板堆石坝的应力变形特性开展深入研究。 ２参数反分析 堆石料的模型参数是在室内试验基础上，采用 本文采用 维有限元计算方法，基于积石峡面板堆 石坝填筑过程中的沉降观测资料进行反分析，得到 了大坝堆石料的模型参数。在此基础上，对大坝的 应力变形特性进行了计算分析。 三维有限元计算模拟实际的填筑过程和蓄水过程， 依据坝体在填筑过程中的变形监测结果反分析得出 的。在参数反分析中，采用了如下变形分解并分别 确定相关模型参数的思路： （１）坝体填筑到１ ８５７ ｉｎ高程后至蓄水前没有 １计算模型和参数 基于开挖料筑坝设计剖面图和大坝地形条件， 对面板堆石坝进行了 维有限元网格剖分。采用清 进行坝体填筑，面板的浇筑近似认为对坝体变形影 响很小。因此，坝体发生的变形增量主要是流变变 华大学弹塑性损伤接触面模型模拟坝体与基岩之间 的接触面：采用挤压墙等效数值模型模拟大坝的挤 压墙ｌｌｌ：接触面模型参数均通过大型接触面试验加以 确定。混凝土面板采用线弹性模型，弹性模量为 收稿日期：２０１１－ｏ８—２３ 作者简介：洪镝（１９６２一），男，浙江金华人，教授高级工，硕 士．主要从事工程管理工作． ＪＴ－ｑ Ｔ ＇寸．１ 、 Ｕｗ／ＸＬＩ：：［Ｉｑ］．ｇ．／，ｌ￣ｌｚ１＿Ｊ 卫／Ｊ又 Ｉ／—ｕ ｌ 彤。利用该段时间的变形反演得到堆石料的流变模 型参数．． 形等值线图。由图３－６可以看出，坝体的沉降最大 值发生在中部，坝体内的应力水平总体较小；坝轴 线上游部分坝体向上游方向发生水平位移，且越靠 近坝体表面位移越大：坝轴线下游部分坝体向下游 （２）根据施工期坝体变形监测值和计算得到的 施工期流变值反分析，得到加载模型参数。 （３）根据２００９年９月中旬由于蓄水预沉降措施 引起的坝体变形．反演得到湿化模型参数。 啪啪 跏方向发生水平位移，同样，越靠近下游坝表面其位 移也越大。面板的挠度从坝底到坝顶逐渐增加，面 板的顺坡向应力在上部和下部分别表现为 和拉。 作为反演结果的示例，图１给出了电磁式沉降 仪ＥＳ４部分监测点在坝体填筑过程中和填筑到 面板水平向压应力的最大值出现在中部，而靠近两 侧岸坡的面板处出现一定的拉应力。 １ ８５７ ｍ高程后的沉降监测值和计算值的对比时程 曲线。其中，曲线是反演分析计算结果，散点是电 磁式沉降仪实际监测值。从图１可以看出，沉降计 算值与监测值整体上符合较好。 鲁 吕 基 ＼ ＼ Ⅲ 枢 世 螺 埒 日期 图１ ＥＳ４沉降管累计沉降量对比时程 图２进一一步给出了在不同的填筑高程时期， 电磁式沉降仪ＥＳ４的沉降监测值和计算值沿坝体 高程的分布曲线。图中曲线是计算值，散点是沉 降仪监测值。从图２可以看出，沉降计算值与监 测值整体规律符合较好，基本上都呈坝体上下部 沉降小、中部沉降大的规律。坝体在填筑到 １ ８５７．８ ｍ高程前，主要发生加载变形，坝体沉降 不断增大：填筑到ｌ ８５７．８ ｍ高程后，坝体继续 沉降，此阶段主要发生流变。在２００９年９月１０ 日之后的一段时间内，坝体在蓄水预沉降措施下 发牛湿化变形，之后继续发生流变变形并最终达 到稳定．、冈此．本文使用的模型和参数反分析结 果是有效的 高 ＼ 趣 ０ 图２不同填筑高程下电磁式沉降管ＥＳ４沉降分布结果对比 ３大坝应力变形分析 图３－６给｝｛Ｊ了蓄水完成后坝体和面板的应力变 硇 Ｗｆｌｌ¨ＩＩ｛Ｉｌ Ｖｏ１．．ｔ７ Ｎｏ ｌ｜ ８６０ ８４０ ８２０ ８００ ｛喧 ７８０ ７６０ ０ ５０ ｌ００ １５０ ２００ ２５０ ３００ 水平位 ／ｍ ８６０ ８４０ ８２０ ８００ ７８０ ７６０ ０ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ 水平位置／ｍ ｂ水甲 图３蓄水完成时标准横断面位移等值线（单位：ｍ） ８６０ ＼宣 ８４０ ８２０ 惺 ８００ ７８０ ７６０ ０ ５０ １ＯＯ １５０ ２００ ２５０ ３００ 帐 伯 ／ｍ 图４蓄水完成时标准横断面应力水平等值线（单位：ＭＰａ） 水平位置／ｍ 图５蓄水完成时面板挠度等值线（单位：ｍ） 图７～１０分别给出了蓄水５００ ｄ后计算得到的 坝体和面板的应力变形等值线图。与蓄水刚完 成后相比，坝体的变形分布变化不大，但数值有 所增大；面板的挠度明显增加。应力有所增大。 这表明流变引起坝体变形增大，但对其分布影响 不大：流变导致面板的挠度明显增加，应力有所 增大。 ４结论 本文采用ｉ维有限元计算方法．基于填筑过程 的沉降观测资料进行反分析，得到大坝各类材料的 ： 器 鐾 ６０。 ２０ Ｏ 水平位置／ｍ ａ顺坡『ｉｆＪ ：ｚ４ 目１００ ２ 水平位置／ｍ ｂ水平向 图６蓄水完成时面板应力等值线（单位：ＭＰａ） ＼目 Ｉ遥 一０ ５Ｏ １Ｏ０ １５０ ２００ ２５０ ３００ 水甲位置／ｍ ａ竖向 吕 ＼ 罐 雾 ０ ５０ １Ｏ０ １５０ ２００ ２５０ ３００ 水平位置／ｍ ｂ水平 图７蓄水５００ ｄ标准横断面位移等值线（单位：ｍ） 一０ ５０ １０ ０ １５０ ２００ ２５０ ３００ 水甲位置／１１１ 图８蓄水５００ ｄ标准横断面应力水平等值线（单位：ＭＰａ） 图９蓄水５００ ｄ面板挠度等值线（单位：ｍ） 模型参数；在此基础上对积石峡水电站面板堆石坝 蓄水期的应力变形特性进行了预测计算分析，得出 的主要结论如下： （１）反分析中监测值和计算值变化过程符合较 好。说明计算模型及所得参数的有效性。 ：夏 １４Ｏ １２Ｏ 口１Ｏ０ ＼８０ 瞿 ６０。 ２Ｏ Ｏ 水平位置／ｍ ａ顺坡向 ４ｚ ｛ ： ６０ 。２ 水 Ｆ位置／ ｂ水平向 图１Ｏ蓄水５００ ｄ面板应力等值线（单位：ＭＰａ） （２）蓄水完成后，坝体的沉降最大值发生在中 部，坝体内的应力水平总体较小。面板的挠度从坝 底到坝顶逐渐增加．面板的顺坡向应力在上部和下 部分别表现为压和拉。面板水平向压应力的最大值 出现在中部，而靠近两侧岸坡的面板处出现一定的 拉应力。 （３）流变引起坝体变形增大，但对其分布影 响不大。流变导致面板的挠度明显增加，应力有 所增大。 参考文献： 『１］张建民，张嘎，刘芳．面板堆石坝挤压式边墙的概化数值模型 及应用［Ｊ］．岩土工程学报，２００５，２７（３）：２４９－２５３． ［２］Ｚｈａｎｇ Ｇａ，Ｚｈａｎｇ Ｊｉａｎｍｉｎ，Ｙｕ Ｙｉｌｉｎ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｇｒａｖｅｌｌｙ ｓｏｉｌ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌｉｔｈｏｌｏｇｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｏｉｌｓ ａｎｄ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ，２００７，４７（４）：７９９－８１０． ［３］王富强，郑瑞华，张嘎，等．积石峡面板堆石坝湿化变形分析 ［Ｊ］．水力发电学报，２００９，２８（２）：５６—６Ｏ． ［４］沈珠江．土石料的流变模型及其应用析［Ｊ］．水利水运科学研究， １９９４（４）：３３５—３４２． （责任编辑杨健） （上接第８页）比重，对其科学管理显得尤为重要。 加强甲供材料管理工作，增强管理人员素质，严格 执行管理制度，提高建设项目的整体管理水平；及 时发现工作中存在的问题，提出合理的解决办法， 形成制度，才能规避甲供材料给建设项目带来的风 险．才能有效发挥甲供材料在工程建设中的巨大优 势和作用。 （责任编辑周晓蔚） Ｗａｒｅｒ ＰｏⅢｅｒ Ｖｏ１．３７Ｎｏ．１１啊