混凝土面板坝竣工期坝体变形分析
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作者:陈彪
摘 要：混凝土面板堆石坝是当代坝工建设的主流坝型，因其具备高效抗震性、高速施工性、经济实用性、结构稳定可靠性等不可比拟的优势，现已成为我国非常有发展力的坝型并得到推广，随之而来的坝体变形及面板受力不均引起开裂等问题也出现，本文以某实际面板坝为工程背景，建立二维数值模型分析其标准断面在竣工期间的应力位移分布规律，对未来面板坝的建设提供有益理论。
关键词：混凝土面板堆石坝;结构稳定;受力不均;应力位移
Abstract：The concrete faced rockfill dam is the mainstream dam type for contemporary dam construction.Because of its incomparable advantages such as high-efficiency seismic resistance，high-speed construction，economic practicality，structural stability and reliability，it has become a very powerful dam in China.The model was popularized，and the problems such as dam deformation and cracks caused by uneven panel stresses also appeared.This paper uses a practical panel dam as the engineering background and establishes a two-dimensional numerical model to analyze the stress of the standard section during the completion period.The law of displacement distribution provides a useful theory for the future construction of faced dams.
Key words：concrete faced rockfill dam;structural stability;uneven force;stress displacement
1 竣工期面板壩应力变形特性[3]
混凝土面板堆石坝竣工期间由于其自身重量较大，面板坝受其重力作用在垂直和水平方向都会出现位移。大坝在垂直方向位移分布有一定规律最大值出现在大坝1/2绝对高度位置。对于堆石坝内部各分区的材料变形能力大概相同的情况，大坝在垂直方向的位移等值线基本呈对称分布。反之，对于坝体内部各区材料如果性能相差太大，在不同材料的分区界限处位移等值线出现断裂不连续分布。一般情况下，坝体上游坝坡部分的底层会向外凸起一定的位移，面板坝坡面在垂直方向位移总是呈现出大于水平方向位移规律。大坝在坝轴方向由于受到岸坡水平土压力的影响，大坝在坝轴方向也会出现一定位移。坝体沿轴线的位移与大坝岸坡的破角成正相关，岸坡坡角增大，这种位移情况愈明显反之则位移减小。由力学分析可得垂直方向上坝体的主要应力值基本等同于堆石体自重产生应力值，随着现在工程需要标准的提高，高面板坝的绝对高度有所增加，坝体自身所受主应力水平也在加大，但是大主应力和小主应力的比值视作常量基本不变。
2 面板坝堆石体力学特性
就堆石坝料而论，目前常见的几种岩石如岩浆，火成，沉积，变质岩等岩石类型都在工程中有所使用。其中沉积岩类型中的灰岩和石岩以及火成岩类型中的花岗，安山，凝灰岩等作为填料面板坝工程应用最多。随着当代面板坝功能需求的多元化以及施工技术的不断进步，使用砂砾岩和软岩作为填料在坝工建设领域得到广泛推广如黑泉和公伯峡等。堆石坝料选定岩石类型依据的指标主要有密度，容重，抗压的强度指标以及软化性的系数和抗拉的强度性指标，孔隙率一定程度上也要考虑[4]。
面板堆石坝在受力情况下坝体会产生变形，变形的形态由三个阶段构成。堆石坝的填筑期发生第一阶段的变形，堆石坝坝体结构的大部分变形都发生在填筑期;第二阶段的变形出现在面板坝的正常运转阶段，由于面板坝会存在水流渗入的情况导致坝体内部堆石料的刚性减小进而出现坝体下沉的现象，堆石料岩石的类型决定了堆石的下沉湿陷变形程度，软岩作为堆石坝料其产生的湿陷变形程度最大。坝体最后阶段的变形发生是坝体运转后产生的坝料流变。坝料流变产生的瞬时变形程度在三个阶段中最小，但由于流变发生在坝体进入运转后的整个运转周期持续时间比较长，故堆石坝料整个坝体运转期产生流变的变形增量也很大。堆石坝料在大坝建成后需要经过机械碾压，碾压后的堆石料具备密度较大和孔隙比较小的特点且再被压缩的可能性基本没有。高面板坝由于自重较大导致内部堆石料应力水平较大，故后期坝体内部堆石料颗粒出现破碎和颗粒再分配调整会导致坝体出现蠕变的情形。
3 面板坝本构模型选取
在面板坝应力变形全面研究中，面板和堆石体的力学变形规律为其探究的关键，确定合适本构模型是数值计算准确的前提。堆石料由于力学性能复杂，主要表现有压缩、非线、自身剪缩及各向异等性能。目前没有一种完美的本构模型可以表现堆石料的复杂特性，国内外研究得出堆石体价值本构理论分两类：弹塑性及非线性。
3.1 堆石体非线性本构模型Duncan-E-B
在面板堆石坝料的应力应变关系中，由于其呈现出绝对的非线性特征故本构模型的选取要在此基础之上。另外，面板所受应力与堆石坝料自身剪缩效应绝对相关。所以从堆石坝料剪缩性质的综合考虑角度分析，堆石坝料本构模型的选取以弹塑性模型为宜。目前，工程上普遍使用1970年邓肯E-B[1]双曲线模型并稍作必要修正进行数值分析计算，这种情况下计算的结果合理基本符合面板堆石坝真实变形情况。剪切弹模Eτ表达式如下： 3.2 面板材料本构模型
面板的主要材料是混凝土，混凝土的应力应变关系满足线弹性规律[2]。故选取线弹性模型作为面板、趾板、基岩的本构形式，用胡克定律的形式表示如下：
4 数值模型计算
某面板坝位于西北某地，该水电站具备调水、发电、防洪三大主要功能，远期来看水电站的副功能还可以应用到养殖业和旅游业。利用Adina建立二维模型，分析标准断面，0+374.43断面，0+105.01断面在竣工期间应力位移规律。
4.1 坝体各分区堆石体的邓肯-张模型参数
坝体从上游到下游材料的次序分别是坝体的混凝土面板，坝体垫层，坝体材料过渡区，壩体的主要堆石区域，砂砾石的主堆区域以及下游的堆石区域。依据某面板堆石坝混凝土材料参数的相关实验报告，坝体内部相关材料参数可以得到如表1：
4.2 面板的二维模型
4.3 计算分析结果
5 结论
坝体竣工期间由于自重作用比较显著，导致其在垂直方向会发生沉降，由分析可知其在垂直方向上最大沉降的数值为64.97cm，其最大沉降比值为0.57%。计算得出最大沉降量出现在标准断面约1/2坝体高度位置，如图3所示。坝体内部堆石在垂直方向由于沉降荷载作用较大，使坝体上下游两侧在水平方向上受到挤压作用力出现位移。分析可得坝体顺河向位移在向上游的极值为16.84cm，该最大值发生在标准断面约1/4坝体高度位置。标准断面由于其截面的面积较其他的断面大，堆石体在这个截面上较其他截面上的面积大的多且为最大的堆石截面。堆石体在垂直方向发生沉降时，其在顺河向的沿线方向在上下游都会产生塌落而出现明显的顺河向位移情况，因此最大顺河向位移数值出现在该位置。同理，由表2可知，该大坝的顺河向位移在向下游的极值为14.49cm，该最大值同样发生在标准断面约1/4坝体高度位置。原因也是由于堆石体在标准断面上较其他截面上的面积大的多为最大的堆石截面，因此出现明显的水平方向位移。沿坝轴向左右两岸坝体分别向河床中部产生位移，受河谷形状影响，靠近两岸逐渐减小，最大值均出现在坝体中部两侧约1/2坝高处，较对称。
参考文献：
[1]Duncan J，M.，Chang，C.y..Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils，ASCE，SMFDM，1970，vol.96，No.SM5.
[2]朱晟，魏匡民，林道通.筑坝土石料的统一广义塑性模型[J].岩土工程学报，2014，36（8）：1394-1399.
[3]孔宪京，张宇，邹德高.高面板堆石坝面板应力分布特性及其规律[J].水利学报，2013，44（6）：631-639.
[4]杨杰，李国英，沈婷.复杂地形条件下高面板堆石坝应力变形特性研究[J].岩土工程学报，2014，36（4）.
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