第１期（总第１４２期） 中国水能及电气化 Ｎｏ．１（ＴＯＴＡＬ Ｎｏ．１４２） ２Ｏｌ７年１月 Ｃｈｉｎａ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ＆Ｅｌｅｅｔｒｉｆｉｃａｌｉｏｎ ＤＯＩ：１０．１６６１７／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－５５４３／ＴＫ．２０１７．０１．０１３ 石头峡面板堆石坝应力变形分析 王开拓 罗永全 （１．青海民族大学，青海西宁８１０００７； ２．青海引大济湟水电建设有限公司，青海西宁８１００００） 【摘要】 本文运用单元生死、荷载步、荷载子步的联合设置，采用分级加载来模拟面板堆石坝逐层填筑的施 工过程，对青海省石头峡水电站面板堆石坝进行仿真模拟分析，得到了坝体在竣工期、一期蓄水期与运行期的 应力变形特性。结果表明，坝体应力变形满足安全要求，对石头峡面板堆石坝的后期建设和坝体内部观测具有 一定的参考价值。 【关键词】 面板堆石坝；应力变形；分析 中图分类号：ＴＶ６４１．４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－｛；２４１（２０１７）Ｏ１・００４３—０６ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｔｒｅｓｓ－ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｉｔｏｕｘｉａ Ｓｌａｂ Ｒｏｃｋｆｉｌｌ Ｄａｍ ＷＡＮＧ Ｋａｉｔｕｏ ，ＬＵＯ Ｙｏｎｇｑｕａｎ （１．Ｑｉｎｇｈａｉ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ ８１０００７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｑｉｎｇｈａｉ Ｙｉｎｄａｊｉｈｕａｎｇ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉｎｉｎｇ ８ １００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｓｅｔｔｉｎｇｓ ｏｆ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｂｉｒｔｈ ａｎｄ Ｄｅａｔｈ，Ｌｏａｄ Ｓｔｅｐ ａｎｄ Ｌｏａｄ Ｓｕｂｓｔｅｐ，ａｎｄ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｌｏａｄｉｎｇ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ—ｂｙ—ｌａｙｅｒ ｆｉｌｌｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｌａｂ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ，ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｌａｂ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ ｏｆ Ｑｉｎｇｈａｉ Ｓｈｉｔｏｕｘｉａ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄａｍ ｂｏｄｙ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ．Ｐｈａｓｅ—Ｉ ｓｔｏｒａｇｅ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｒｕｎｎｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｍ ｂｏｄｙ ｍｅｅｔｓ ｓａｆｅｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｌａｔｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｉｔｏｕｘｉａ ｓｌａｂ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｍ ｂｏｄｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｌａｂ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ；ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ａｎａｌｙｓｉｓ 土面板堆石坝，坝顶长度为４２４ｍ，坝顶高程为 １ 工程概况 ３０９１．３０ｍ，坝顶宽为１０ｍ，防浪墙顶高程为 石头峡水电站位于青海省东北部的门源县苏吉滩 ３０９２．８０ｍ，最大坝高为１１４．５ｍ，上游坝坡为１：１．４， 乡，是大通河流域水利水电规划１３个梯级中的第５ 下游坝坡为１：１．３。面板为不等厚结构，顶部宽度为 座梯级水电站，也是青海省十二五规划重点项目“引 ０．４ｍ，底部宽度为０．６ｍ，中间直线过渡。正常蓄水 大济湟”工程的龙头电站。主要建筑物包括拦河坝、 位３０８６．００ｍ，设计洪水位３０８７．０２ｍ，校核洪水位 溢洪道、导流泄洪洞、引水发电系统等。坝型为混凝 ３０８８．５４ｍ，死水位３０３５．００ｍ。石头峡水电站工程是 ４３ 科学研究及工程设计 ＳｃｉｅｎｔｉｉｃＲｅ ｆｓｅａｒｃｈ＆ＥｎｉｎｎｎｇｅｅｒｉｇＤｅｓｉｇ．．．．． ．．一座以供水、发电为主，兼顾防洪的Ⅱ等大（２）型 石料区、主堆砂砾石料区和次堆石料区等６个不同料 区（见图１）。由于各料区材料特性不同，因此，采用 工程。该工程２００８年７月开工建设；２０１４年ｌ２月２ 日，顺利通过了一期下闸蓄水验收；１２月１０日，顺 利完成下闸蓄水；２０１６年８月６日，首台机组并网发 电，标志着该工程正式建成并投入运行。 不同材料参数分区模拟 ，其中垫层料区、过渡料区、 主堆石料区、主堆砂砾石料区和次堆石料区等均采用 非线性邓肯张Ｅ—Ｂ模型计算，依据《青海省石头峡水 ２计算参数与模型 ２．１坝体材料参数 石头峡面板堆石坝自上游至下游将坝体材料依次 分为混凝土趾板与面板、垫层料区、过渡料区、主堆 校核洪水位３０８８ ５４ 没ｉ ｆ拱水ｔ￣３０８７ ０２ 电站工程混凝土面板堆石坝筑坝材料试验报告》确定 坝体各料区的计算参数（见表１）。基岩、面板和趾板 等结构均采用线弹性模型模拟。面板、趾板均采用Ｃ３０ 混凝土，弹性模量为３×１０ ＭＰａ，泊松比为０．１７；基 岩的弹性模量为２．５×１０ ＭＰａ，泊松比为０．２０。 正常蔷水位３０８６ ００ 哩盟 ｏ９ｌ ３０ 黎 姆 嚣嘲 图１ 石头峡面板堆石坝坝体标准断面 表１ 石头峡面板堆石坝坝体材料的Ｅ－Ｂ模型参数 材料 料 过渡料 ｙ／（ｋＮ／ｍ ） ２２．５ ２２．４ Ｋ ８３５ ８７３ Ｋ ０ ３８６ ０．３９５ ∞ ０．３６８ ０．０３７ △ １Ｏ．８ ５．４ ２４００ ２ＯＯＨ０ ０．６９ Ｏ．６５ ６０８ ８１９ ５４．１ ５０．９ 堆ｆ 料 堆砂砾 料 次堆 料 ２１．０ ２２．４ ２１．０ ８７５ ８７３ ８７５ ２ＯＨ００ ２ｏｏＯ ２ｏｏＯ ０．０３７ ０．３９５ ０．０３７ Ｏ．７６ ０．６５ Ｏ．７６ ７８４ ８１９ ７８４ —０ ２４７ ０．０３７ —０．２４７ ３８．０ ５０．９ ３８ Ｏ ｌＯ．Ｏ ５．４ １０．０ 注 ，为破坏比；Ｋ掸性模数；ｎ弹性模量指数；Ｋ 为体积模髓数；ｍ体积模苗指数；Ｋ ，为卸茼弹性模量数 ２．２坝体汁算模型 根据石头峡面板堆石坝的设汁资料，分析其结构 特点，对坝体部分进行了合理简化，建立有限元模 分采用三角形网格，其他均采用四边形网格。坝体共 剖分单元网格３５７４个，结点１０９７８个（见图２）。 ２．３计算方案 在混凝土面板堆石坝有限元分析中，施工荷载的 型：划分坝体单元时沿着坝体高度方向将坝体划分为 ｌ３层。面板与垫层之间采用面面接触单元以模拟接 触特性，对模型进行网格划分，面板采用四边形映射 网格划分，除过渡料区采用三角形自由网格划分外， 模拟是很重要的 。它体现了结构体本身随施工过程 的变化，从而更好地反映材料的非线性，使计算结果 更符合实际，采用增量法逐级施加的方式施加荷载 。 坝体网格均采用映射网格划分，堆石最后一层填筑部 仿真计算中模拟了坝体的实际填筑施工步骤，坝体填 图２石头峡面板堆石坝有限元网格 筑分为ｌ３层，作为前１３个荷载步，通过设置网格单元 的生死来控制；面板浇注作为第ｌ４个荷载步；水库蓄 水，施加水压力等荷载作为第ｌ５个荷载步。 分析计算时考虑以下三种工况：⑧工况一（竣工 期）：坝体填筑至坝顶高程，上下游均无水；⑥工况二 （一期蓄水期）：一期面板混凝土浇筑至３０５５．ＯＯｍ，水 库蓄水位为３０３５．Ｏ０ｍ，蓄水高度为５８ｍ；＠工况三 （运行期）：二期面板混凝土浇筑完成，水库蓄水位 为３０８６．ＯＯｍ，蓄水高度为１０９ｍ，坝后引水式电站正 式投入运行。 ３坝体计算结果及分析 在计算分析成果的整理中主要给出了坝体在竣上 期、一期蓄水期和运行期的应力、变形分布规律。水 平坐标以趾板顶面与面板上游面的交线为原点，水平 位移以指向下游为正，竖向位移以向 为正，应力以 拉为正，其余为负值。 ３．１ 坝体的变形特性 坝体在竣工期、一期蓄水期和运行期的水平位移 和。 向位移云图见网３～图８，各计算工况下坝体变 形特性对比见表２。 图３竣工期水平位移云图（单位：ｉｎ） 科学研究及 程设计 Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ 图４竣工期竖向位移云图（ 化：１３１） 图５一期蓄水期水平位移云图（ 位：ｉｎ） 图６一期蓄水期竖向位移云图（单位：ｎ１） 图７运行期水平位移云图（单位：ｎ１） 科学研究及工程设计 Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ 由图３～图８和表２可知，石头峡面板堆石坝坝 体的变形特性表现在以下几个方面： 而板堆 坝囚大规模堆石体的变形而产生的裂 缝、沉降等问题，使高坝沉降观测成为一个重要的课 题 。从石头峡堆石面板坝各计算工况下的变形特性 可得出，坝体最大沉降点均处于坝轴线位置约１／２坝 高处，随着坝体由竣工期进入到正常运行期，沉降也 逐渐趋于稳定，坝体的总沉降量及最大沉降比与同类 型的而板堆石坝相比较小，说叫该坝坝体材料岩性较 图８运行期竖向位移云图（ 位：ｒｎ） 硬、压缩性较小 、 表２ 各计算工况下坝体变形特性对比 水Ｔ 况 偏向上游最大位移量／ｃｎｌ 竣¨｛Ｉｊ 一甲位移 一 向 他移 最人沉降Ｌ－ＩＪ％ 位髋 ０．３８００％ 偏 下游最大位移锵／ｔ ｌ２ ０７ 最大ｆ）Ｃ降｛ ｌ；ｔｃｍ ４３．６ｌ １２．８４ １／２—１／３坝高处 期蓄水期 运行期 １０．３４ １．４９ １ ２ ５０ １６．５３ ４３．４６ ４４．４４ 约１／２坝『＿处 约１／２坝『＿处 ０．３７９８％ ０．３８８０％ 坝体一期蓄水期的最大沉降量较竣工期略小，原 冈是处于竣丁期的坝体下部会受上部堆 体沉降挤 的效应，在水平方向会产生较大位移，最大沉降垃也 较大；而在一期蓄水期．｛＿！＝』！体将会受到上游水 力等倚 载的作用，从而减小了坝体下部偏向 游的水平位 ３．２坝体的应力分布分析 坝体在竣Ｔ期、 ・期蓄水期和运行期的第一、第 ｊ主应力 ｊ等效臆力云图 罔９～冈Ｉ７。各计算工况 Ｆ坝体应力对比见表３。 …： ＾Ｎ 移，并且对沉降的堆石体起到了一定的支撑作川，这 种支撑作用抵消甚至超过ｒ由于水压力而造成的坝体 进一步的沉降。 ：： ， ？：： 坝体竣工期水平位移的变化基本上呈对称状，以 ．坝轴线为界限，上游坝体偏向上游方向发生水平位 ． ＼ 移，下游坝体偏向下游方向发生水平位移，并且距离 ＬＯｌｌ￣ｉｌｌＩ—ｍ“．．．．，。。 －－．・ ．－ｒ－，－： 。一 … 坝体上Ｆ游表面越近相应的水平位移越大；而坝体在 蓄水运行后，在库区水压力等荷载的作用下水平位移 …图９竣工期第一主应力云图（ 位：Ｐａ） … ＾Ｎ 整体偏向下游，特别是库水位达到３０８６．００Ｉ１１时，坝 体偏向上游的最大水平位移减小至１．４９ｃｍ，较竣丁 期有明显的减小。说明随着库水位逐渐升高，坝体偏 向上游的水平位移会由于水压力等荷载的抵消作用而 Ｊ／ ．． 、 大幅度减小，并引起坝体偏向下游水平位移有所增 加。但随着坝体内部沉降的逐渐稳定，水平位移也会 逐渐趋于稳定。 ‘ ｝●ｉ‘ｒ． ‘ ，●“ ．ｍ’ …ｍ－， ．…’．ｌ－．¨●．Ⅲ●ｉ ’ ：ｌ：●Ｉ ‘，●ｌ｝ “＾． 图１０竣工期第三主应力云图（单 ：Ｐａ） 科学研究及工程设计 Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ … ＾Ｎ Ｐ＝：’ ～１， ￣Ｑ－ｒ，……㈣●，‘ｌｅ Ｉ ＇ １，ｔ，０ Ｅ１２９ １１，‘３６ ｊ２ｍ３ ｊ２Ｂ‘¨ ‘３Ｅ１ ＿３６Ｅ３ ６５ｕ一 １ｓｅＥ１１ ｅ‘‘Ⅲ ｑ７…。 图ｌ１竣工期等效应力云图（单位：Ｐａ） ……图ｌ５运行期第一主应力云图（单位：Ｐａ） ＾Ｎ ５１／１１ｉ￣． 一 嚣 ： ～…”……。…－ ………～－…一 …。 … 图１２一期蓄水期第一主应力云图（单位：Ｐａ） ＬⅢｚ∞图ｌ６运行期第三主应力云图（单位：Ｐａ） ……＾Ｎ ＾Ｎ ２２ ２０１４ ：・ ｓ ・，ＳＥ ５…嬲ｆｍ‘● ，●１ ．＿ ０Ｉ ●Ｏ１ ／ 、 ＼ ●¨ ．．－… …… ’…一 ．“‘．Ｉ３ ｉｊｍ， Ｉ‘Ⅲ－ ●，’３Ｄ． ¨‘，●Ｏ Ｔ１…‘ …．． …… ．…・ ……，．．． ●ｌＬ‘１Ｉ 卅１．Ｏ， 。 图１３一期蓄水期第三主应力云图（单位：Ｐａ） ｍｕ ｗＴ 图１７运行期等效应力云图（单位：Ｐａ） 表３ 各计算工况下坝体应力对比 第一主应力／ＭＰａ 第三主应力／ＭＰａ 等效应力／ＭＰａ １二 况 ＾Ｎ ５ＴＥＥ￣．ｏｌ ・ －１● ｔ＾Ⅶ＇ ●３● ， ？ ： ＴＭ目 …－￣４４２ ‘● ｉ１ …最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 竣工期 一０．１０ —１．０３ —０．００６６ 一１．９６ ０．９７ Ｏ．ｏｏ６１ —１．Ｏ３ ０．０２００ 一ｌ ９６ ０．９７ ０．００６５ 一１．Ｏ８ Ｏ．１２００ —２．０４ Ｉ．Ｏ７ ０．００９６ 期蓄水期 ０．２９ 运行期 ０．９６ 注●¨ ｕ３１Ｏ２ ２ －＇¨ 表中“一”表示压应力。 ＇３，Ｏ钉 ３】‘３ｅ２ ｓ，¨蚰 ¨‘３¨ ｅ５●５ ，ｓ ¨ ，Ｅ囊２ｊ 由图９一图１７和表３可知，石头峡面板堆石坝坝 图 ４一期蓄水期等效应力云图（单位：Ｐａ） 体应力分布具有以下特点： ４７ 科学研究及工程设计 Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ 竣工期和一期蓄水期坝体大、小主应力的最大值 均出现在坝中线与基岩面的交点处；水库进入一期蓄 水后，坝体的大主应力在垫层料区和过渡料区较竣工 期均有所增加，但蓄水作用对坝体大主应力的分布影 响相对较小；根据一期蓄水期的坝体小主应力的分布 规律，可以得出一期蓄水期坝体由于水压力等荷载的 作用，坝体垫层料区、过渡料区以及部分上游主堆石 料区的小主应力有较为明显的增加。 由于坝体从施工期到竣工期主要受到自重的影 响，坝体基本上处于受压状态，最大压应力为 １．９６ＭＰａ。坝体从竣工期到一期蓄水期，随着库水位 逐步上升坝体的应力变化不大，坝体的最大第一主应 力值从０．１０ＭＰａ增大到０．２９ＭＰａ。当坝体进入运行 期，库水位达到３０８６．ＯＯｍ时，坝体受坝体自重与水 压力等荷载的共同作用，最大压应力值为２．０４ＭＰａ， 最大拉应力值增大到０．９６ＭＰａ。 坝体等效应力总体上是从坝中线底部沿着坝顶及 两侧方向逐渐减小，最大压应力值均出现在坝中线底 部，从竣工期进入到运行期后，坝体最大应力值从 ０．９７ＭＰａ增大到１．０７ＭＰａ，应力的变化范围较小，应 力分布较为均匀。 ４结语 从石头峡面板堆石坝坝体应力和变形特征可以得 出，坝体应力和变形分布规律与其他面板堆石坝工程 基本类似，数值均在规范规定范围之内。 在竣工期由于堆石体的自重作用产生较大沉降， 一期蓄水时水压力较小，使得堆石体沉降略有减小， 正常运行时水压力增大，沉降量逐渐增大；两侧坝体 由于上部堆石沉降而受挤压产生了水平位移，与竣工 期相比，运行期坝体偏向上游的水平位移受到水压力 的抵消作用而大幅度减小，并引起坝体偏向下游的水 平位移有所增加。 坝体的应力随着坝体填筑升高和蓄水运行的过程 而逐渐增大，坝体主应力分布及变化符合一般规律， 最大压应力和等效应力点均处于坝中线底部，由于水 压力等荷载的作用会引起坝轴线上游的坝体应力增量 比下游大。在库水位的作用下，坝体拉应力主要集中 在面板与趾板的交界处，应力方向接近顺坡方向，主 要是由于面板与趾板的交界点会受到地基的约束引 起。根据石头峡面板堆石坝采用两期面板浇筑的过 程，可以看出在面板中部设置平行于坝轴线的永久伸 缩缝，可以改善混凝土面板的应力状况，会大幅减小 面板底部的拉应力。 在石头峡水电站工程建设过程中，大坝安全监测 和资料分析存在测值不符合规律、坝体变形处于失察 状态，因此针对石头峡面板堆石坝进行应力与变形的 数值分析就显得十分必要，对石头峡面板堆石坝的后 期运行和坝体内部观测具有一定的指导意义和参考价 值。Ａ 参考文献 ［１］黄劲松，朱晓玲，潘超．混凝土面板堆石坝应力变形有限元分 析［Ｊ］．中国农村水利水电，２００５（１０）：４０４３． ［２］洪镝，刘超，张嘎．积石峡面板堆石坝应力变形分析［Ｊ］．水力 发电，２０１１（１１）：１５—１７． ［３］刘萌成，高玉峰，黄晓明．考虑强度非线性的堆石料弹塑性本 构模型研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００５（３）：２９４－２９８． ［４］ 张鹏举，赵国荣．概率统计方法在水库面板堆石坝沉降监测中 的应用［Ｊ］．中国水能及电气化，２０１３（７）：５１－５５．