水布垭面板堆石坝的应力变形分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３８卷第７期　人　民　长　江　Ｖｏ１．３８．Ｎｏ．７　２００　７年７月　Ｙａｎｇ￣ｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｊｕｌｙ．　２００ｒ７　文章编号：１００１—４１７９（２ＯＯ７）０７—０１ｌ８—０３　水布垭面板堆石坝的应力变形分析　李金凤　胡清义２　熊泽斌２　（１．河海大学岩土所，江苏南京２１００９８；　２．长江水利委员会设计院，湖北武汉４３００１０）　摘要：在现场实际的开挖地形和填筑方式条件下，对水布垭面板堆石坝工程进行了施工模拟和水库初期蓄水仿　真计算分析，并和实测结果进行对比。结果表明：在复杂加栽路径下，水布垭面板堆石坝体和混凝土面板应力　变形性状符合一般规律；模拟加栽过程越真实，计算结果与实测结果越接近；堆石体的应力变形与应力历史（或　应力路径）有关，在计算中，应尽可能真实地模拟实际加栽路径；蓄水前后水布垭整个坝体工程都处于安全稳定　状态。　关键词：面板堆石坝；应力变形；加栽路径；应力历史；水布垭水利枢纽　中图分类号：ＴＶ６９８．１　ｌ　文献标识码：Ａ　１概述　维有限元模型。邓肯Ｅ—Ｂ非线性弹性模型能反映堆石体加载　过程中的应力路径，同时由于其广泛应用而积累了丰富的经验，　要了解坝体在施工期及蓄水期应力和变形的性状，需进行　确定材料参数的试验技术和方法也较为成熟，因此，本文对面板　坝体的应力变形分析。有限元分析是目前进行该项分析最常用　堆石坝进行数值模拟时，采用邓肯Ｅ—Ｂ非线性弹性模型。趾　的手段。大量实际工程表明，设计阶段有限元计算结果往往不　板和面板采用线弹性模型。在面板和垫层之间以及面板和趾板　能精确定量确定堆石坝的变形，与施工阶段或运行阶段观测结　之间设置无厚度的Ｇｏｏｄｍａｎ单元。在进行网格剖分时采用的基　果相差较大　。造成有限元分析结果与实测值之间明显差别　本单元为八节点六面体等参单元；考虑到面板堆石坝的几何边　的原因有很多方面。实际坝体体形与设计阶段坝体体形的差异　界和材料边界比较复杂，同时利用六节点三棱柱单元和四节点　和规划填筑过程与实际填筑过程的差异是其中最主要的两方面　四面体单元来适应边角部位的变化；在材料间模量相差较大情　原因。目前，水布垭面板堆石坝已完工，进入了蓄水发电的运行　况下，在其界面上设接触面单元以实现两者的相互作用。本文　阶段，为了工程的安全运行及研究的需要，对水布垭面板堆石坝　建立的水布垭面板堆石坝最大剖面有限元网格、坝体三维有限　分区分期填筑和水库初期蓄水进行模拟仿真计算以及坝坡稳定　元网格分别如图２、图３所示。本文根据现场施工进行仿真加　分析验证是必要的。本文研究了水布垭面板堆石坝在现场特定　载，加载示意图见图４，采用的邓肯Ｅ—Ｂ非线性模型计算参数　条件（开挖地形和填筑方式）下不同时期产生的坝体应力和变　与设计阶段的一致。　形，并与施工期原型观测结果进行对比分析。　２复杂加载路径下面板坝应力变形仿真模拟　２．１工程概况　水布垭面板堆石坝最大坝高２３３　ｍ，坝顶高程４０９　ｍ，坝轴线　：　长６６０　ｍ，坝顶宽度１２　ｍ。大坝上游坝坡１：１．４，下游综合坝坡　～／　１：１．４。根据坝体各部位工作及受力条件，填料来源及其特性，　图１水布垭面板堆石坝材料分区　坝体填料分为以下几个主要填筑区：Ｉ　Ａ（粘土铺盖层）、Ｉ　Ｂ　（盖重区）、ⅡＡ（垫层区）、ⅢＡ（过渡区）、ⅢＢ（主堆石区）、ⅢＣ　（次堆石区）和ⅢＤ（下游堆石区），分区如图１所示。　为了监测大坝在施工期和运行期的工作状态，在坝体及面　板内埋设了变形、应力、温度等多种监测仪器，对坝体进行了多　方面的现场监测。　２．２复杂加载路径下的仿真模拟过程　图２大坝主断面有限元　本文结合现场特定条件（实际开挖地形和填筑方式）建立三　收稿日期：２００７—０５—０９　作者简介：李金凤，女，河海大学岩土所，博士研究生。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第７期　李金凤等：水布垭面板堆石坝的应力变形分析　１１９　图３大坝三维有限元俯视　图４加载示意　３计算结果分析　３．１坝体应力变形性状　表１给出了本文坝体计算结果，包括坝体位移与大小主应　力情况。计算中，本文建立的三维有限元模型是在实际开挖地　形条件下建立的，同时，本文的计算还近似模拟了实际复杂的加　载路径，计算结果表明，竣工期坝体沉降最大为２．２３　ｍ，蓄水期　为２．４２　ｍ，都位于坝体中部偏下游部位约１／２坝高处，图５为工　程竣工期坝体最大剖面沉降位移等值线分布。竣工期与蓄水期　坝体的最大沉降位移为坝高的０．９５％～１．０４％，在已建工程观　测值范围内。图６为水布垭面板堆石坝主监测断面３个高程坝　轴线处测点布置示意图，图７是测点ＳＶＯＩ一１８的计算值与观测　值的沉降时程曲线。图中线形表明，本文计算结果与现场观测　结果十分相近，这不仅说明了本文计算结果的正确性，也说明有　限元计算中，模拟实际加载过程越真实，计算结果越可靠，同时　说明了堆石体应力应变与应力历史或应力路径的相关性，也就　是说，如果仿真模拟过程中，施工次序（加载过程）偏差较大时，　可能会引起计算值较大的偏差。顺河流向位移，竣工期与满库　蓄水后，上下游坝体都基本上以坝轴线为界向上、下游位移，只　在满库蓄水后，因水压作用，向上游位移值变小，向下游位移值　增加，这符合坝体水平位移一般规律，与实测结果规律也较一　致。总体上，坝体沉降位移与水平位移都合乎堆石坝体的一般　变形规律，变形值大小在可控制范围内，蓄水前后坝体是安全　的。　表１水布垭面板坝坝体有限元计算成果（坝体）　竣工期，坝体大主应力最大值为２．８９～３．１８　ＭＰａ，出现在坝　底中部，小主应力最大值为０．９６～１．０２　ＭＰａ，出现在坝底中部略　偏上游位置；满库蓄水后，大小主应力最大值略有增加，变化不　大，最大值出现位置变化也不明显，这与坝体变形的变化情况一　致，坝体应力水平一般在０．５以下，这说明坝体稳定性很好。　图５竣工期最大断面垂直沉降（单位：ｃｍ）　图６主监测断面坝轴线处测点布置示意　２ＯＯ　ｌ５Ｏ　ｏｏ　曝　５Ｏ　Ｏ　１　２　３　４　５　６　７　８　某施工期／月　图７对应工期ＳＶＯ１一ｌ８测点处沉降量对比　３．２面板应力变形性状　面板应力与变形是计算的难点和关键问题之一，图８为竣　工期及蓄水期面板挠度变化示意图。从施工期面板挠度变化情　况看：竣工期，挠度两个最大值峰值出现在一期面板中下部和二　期面板中部，最大值为２６．２　ｃｍ，从量值上看，面板变形相对其它　同量级工程的情况偏小，但面板的变形规律和量值大小与观测　结果也很相近。另外，一期面板和二期面板靠近周边缝部位有　较大范围的面板产生向上游方向变形，使得面板出现了一定范　围的扭曲，这一现象可以作为施工期面板产生裂缝的反映之一；　满库蓄水后，面板挠度变化不大，最大值出现位置没变，量值稍　有增加，在水压作用下，整个面板都向下游方向变形，扭曲现象　消失，与蓄水前相比，蓄水后面板变形性态对面板有利，说明蓄　水有利于控制面板裂缝；从图看出蓄水对三期面板影响不大，三　期面板变形蓄水前后都很微弱，这说明对于面板变形控制来说，　重点应放在坝体中下部面板变形控制上。　图８面板挠度　图９～１２为面板应力分布情况，竣工期，面板轴向压应力最　维普资讯 http://www.cqvip.com １２０　人　民　长　江　２００７生　大值３．５５　ＭＰａ，蓄水后也仅为４．５５　ＭＰａ；拉应力最大值蓄水前后　分别为１．０２　ＭＰａ和２．０８　ＭＰａ，如图９和１Ｏ所示，靠近周边缝附　近出现拉应力的范围较大，这与面板在这一区域内产生的扭曲　变形相一致。竣工时顺坡向拉应力主要出现在二期面板靠周边　缝附近，蓄水后三期面板周围也有拉应力出现。　图ｌ２蓄水期面板顺坡向应力（单位：ＭＰａ）　杂加载路径下，面板的应力变形值相对其它同类工程较小，蓄水　前后，面板是安全的，但面板的扭曲变形导致的大面积拉应力情　况应加以重视。　图９竣工期面板坝轴向应力（单位：ＭＰａ）　４结论　在现场实际的开挖地形和填筑方式前提下，本文对水布垭　面板堆石坝工程进行了施工模拟和水库初期蓄水仿真计算分　析，得到如下结论。　（１）在竣工期和蓄水期，水布垭大坝坝体最大沉降为坝高　的Ｏ．９５％～１．０４％，在已建工程观测值范围内；面板变形、面板　轴向应力和面板顺坡向应力都较小；蓄水对一期和二期面板应　力变形有利，对三期面板影响较小。　（２）在复杂加载路径下，水布垭面板堆石坝坝体和混凝土　图ｌ０蓄水期面板坝轴向应力（单位：ＭＰａ）　面板应力变形性状符合一般规律。有限元计算结果表明，模拟　实际加载过程越真实，计算结果越可靠。堆石体应力应变与应　力历史或应力路径具有相关性，因此在计算中，应尽可能真实地　模拟堆石体加载过程。　（３）蓄水前后水布垭整个坝体工程都处于安全稳定状态，　进一步验证了水布垭大坝工程的蓄水安全和运行安全可靠性。　参考文献：　［１］　吴兴征，栾茂田，辛军霞．修正邓肯模型及在面板堆石坝应力与变　形分析中的应用．岩石力学与工程学报，２００１，２０增（１）：１０９８～　１１０２．　图ｌ１竣工期面板顺坡向应力（单位：ＭＰａ）　［２］刘萌成，黄晓明，高玉峰、堆石料强度变形特性与非线性弹性本构　整体上看，蓄水前后面板应力变形变化不大，拉压应力等值　模型研究．岩土力学，２ＯＯ４，２５（５）：７９８～８０２．　线主要分布在一二期面板范围内，三期面板应力等值线较少，应　［３］　田堪良，张慧莉，骆亚生．堆石料的剪切强度与应力一应变特性，岩　力分布现象与面板变形相一致，与观测结果也较相近，在实际复　石力学与工程学报，２００５，２４（４）：６５７～６６１．　（编辑：徐诗银）　（上接第１１４页）　［４］段建立，郑颖人．一种基于广义塑性力学的硬化剪胀土模型．岩土　学及基础工程学术会议文集、上海：同济大学出版社，１９９１：４４３～　力学，２０００，２１（４）：３６０～３６２，３６６．　４４６．　［５］沈珠江．理论土力学．北京：水利水电出版社，２０００．　［１Ｏ］程展林，丁红顺．论堆石料力学试验中的不确定性．岩土工程学　『６］　吴为义．颗粒材料组构关系与本构关系的研究，见：博士研究生学　报．２００５，２７（１Ｏ）：１２２２～１２２５．　位论文．１９８８．　［１１］付志安，凤家骥．混凝土面板堆石坝．武汉：华中理工大学出版社，　［７］钟晓雄，袁建新．颗粒材料的剪胀模型．岩土力学，１９９２，１３（１）：ｌ—　１９９３．　ｌＯ．　［１２］郑颖人．岩土塑性力学的新进展一广义塑性力学．岩土工程学报，　［８］程展林，丁红顺．堆石料蠕变特性试验研究．岩土工程学报，２００４，２６　２００３，２５（１）：ｌ～ｌＯ．　（４）：４７３～４７６．　ｆｌ３］　沈珠江．土体结构性的数学模型一２ｌ世纪土力学的核心问题．岩　［９］沈珠江，左元明．堆石料的流变特性试验研究，见：第六届全国土力　土工程学报，１９９６，１８（１）：９５～９７．　（编辑：赵凤超）