面板堆石坝蓄水期稳定性及施工缝变形研究.pdf

年第 期（第 卷）黑龙江水利科技 （）文章编号：（）面板堆石坝蓄水期稳定性及施工缝变形研究尹晓明（黑龙江省正润水利水电工程有限公司，哈尔滨 ）摘要：随着筑坝技术的不断成熟，混凝土面板堆石坝的建设规模扩大，工程应用越来越广泛，对不同阶段的坝体稳定性复核及施工缝的变形监测愈发的重要。文章结合实际工程建立三维数值模型，有限元分析大坝和面板蓄水期的应力变形，同时根据面板施工缝的变形监测，得出相应的变化规律，为该坝型的设计施工提供一定的参考价值。关键词：面板堆石坝；蓄水期；施工缝；变形中图分类号：文献标识码：收稿日期 作者简介 尹晓明（），女，黑龙江宾县人，助理工程师。绪论混凝土面板堆石坝特点突出，在我国水利工程中应用广泛，其主要具有堆石分层碾压、混凝土薄层面板、多层止水等。和心墙坝对比，面板坝具有底宽小、坡降大、施工便利、坝体填筑量低，缩短输水、泄水建筑物尺寸，枢纽建筑衔接紧密。同时面板坝的抗滑性特点突出，从结构分析，堆石体基本位于面板下方，堆石体整体自重、面板上部静水压力反作用于水平推力。因堆石体为振动碾碾压成型，孔隙率小，渗透稳定性突出，从而通过这种摩阻力保持坝体的稳定性。堆石的排水功能降低空隙水压力，所以面板坝的抗震性效果较优。土石坝非线性有限元方法堆石坝的材料非线性包含材料和几何非线性，一般应用时定义为材料非线性，则结构体单元的平衡条件表达式为：（）（）式中：为应力列向量；为应变向量；为节点力列向量；为位移向量；为应变矩阵。线弹性体的单元应变关系符合广义虎克定律：（）材料非线形的应变关系可简化为：（，）（）材料的非线形关系劲度矩阵 可随应力而变，其平衡方程组为：（）（）若给土体施以应力增量 ，可以通过该应力状态 下的弹性常数形成 ，进而求得应变增量 。在实际应用中通常选用中点增量法，每施加的一级荷载增量，计算求出位移、应力应变的增量变化，最终叠加后得出总荷载的单元总应变和位移。工程实例 工程概况某混凝土面板堆石坝位于湖北省境内，坝址流域面积 ，多年平均流量为 。大坝正常 蓄 水 位 ，总 库 容 亿，坝 高 ，坝顶长 ，上游坝坡比为 ，下游为 ，堆石坝材料分区为水平铺盖、混凝土面板、垫层、过渡层、堆石区。计算参数坝体堆石料的 模型物理参数具体见表 。年第 期（第 卷）黑龙江水利科技 （）表 堆石体材料参数表材料名称密度 （）内摩擦角 内摩擦角减小值 破坏比弹性模量系数 弹性模量基数 弹性模量指数 体积模量系数 体积模量指数 垫层料 主堆石料 次堆石料 计算模型沿坝轴线将坝体分为 个横剖面，坝体采用 等参单元，共划分单元 个，节点总数 个。坝体三维有限元网格剖分如图 所示。堆石坝面板共分为 块，其中 和 宽度为 ，其余宽度均为 ，面板网格划分如图 所示。图 坝体三维有限元网格剖分图 计算结果 坝体蓄水期水压力通过面板直接作用于坝体，选取大坝典型剖面 ，其应力变形结果见图 。面板蓄水期的面板受力包括自重和上游的静水压力，由计算结果可知，面板水平位移向左移动且变幅增大，最大水平位移 ，出现在第三、四块面板顶部；沉降变化基本没有规律性，沉降量偏小，面板最大沉降为 ，在面板 中下部位，转换成挠度为 ，根据规范要求表明面板 已产生裂缝。面板 到 处均出现较大的沉降量，需加强变形监测。面板的轴向应力个别部位交错出现拉、压应力，特别是左岸坝坡附近，拉应力区范围较大，最大拉应力为 ，中部面板最大压应力在 中部位置，最大值 。顺坡向压应力分布无规律性，最大值为 ，出现在 和 的中下部 。（）水平位移（）垂直沉降（）小主应力（）大主应力图 坝轴 剖面计算结果图由图可知，蓄水期大坝最大沉降 ，出现于上游的 坝高处；上游面最大水平位移 ，在近左岸坝基位置；下游面最大水平位移 ，在上游左岸的坝中部；最大小主应力 ，在上 年第 期（第 卷）黑龙江水利科技 （）游面的坝基位置处；最大主应力为 ，在左岸的坝基附近。表 和表 分别汇总 、两条垂直缝的三相变位值，裂缝张开为正，错位以右低左高为正，沉降沿面板外法向为正。表 垂直缝三向变位点号张合 错位 沉陷 点号张合 错位 沉陷 由表 中可见，垂直缝 在顶、底部两侧出现张开变形，最大张开量 ，在中部大都呈关闭状态，变化规律和面板轴线方向的应力变化基本一致。错位变化量较小，平均错位 ，最大错位出现在该缝中部以下。垂直缝沉陷平均值 ，最大为 ，位置在缝的中部偏下处 。表 垂直缝三向变位点号张合 错位 沉陷 点号张合 错位 沉陷 （下转第 页）年第 期（第 卷）黑龙江水利科技 （）明显增加。）暴雨情景不同，降水产生的洪涝灾害危险性存在明显差异，暴雨洪涝危险性随降雨强度的增加而增大，一遇暴雨情境下积水时间超过 且积水深度超过 的区域集中于碧流河与大清河交汇处、大辽河下游以及西侧，洪涝危险性最小。研究区淹没范围随暴雨重现期的增长逐渐扩大，淹没范围也不断扩大。一遇暴雨情景下碧流河与大清河交汇处以及大辽河北侧的积水时间明显增大，整体达到 以上。）暴雨情景相同时的洪涝灾害危险性也会存在一定差异，、一遇时最大淹没深度集中分布于研究区东侧及南部的地势低洼区，积水时间达到 且最大积水深度超过 ，这是洪涝灾害风险重点防御区。因此，在增强河西排水能力的情况下建议调整洪水调度方案，为消纳洪水还要科学设置蓄滞洪区，为防汛部门评估暴雨风险、制定闸坝调度方案以及滞洪区选址提供参考。参考文献：张冬冬，严登华，王义成，等 城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展 灾害学，（）：扈海波，轩春怡，诸立尚 北京地区城市暴雨积涝灾害风险预评估 应用气象学报，（）：张建云，王银堂，贺瑞敏，等 中国城市洪涝问题及成因分析 水科学进展，（）：冯金鹏，王凯，殷丹，等 岫岩县大洋河行洪能力分析及洪水 风 险 图 研 究 水 土 保 持 应 用 技 术，（）：黄程 模型在东莞市防洪分析中的应用 水利规划与设计，（）：梁彬锐 模型在沙井河片区防洪排涝工程中的应用 中国农村水利水电，（）：姬战生，张飞珍，孙映宏 杭州市上塘河流域防洪能力分析 浙江水利科技，（）：雷享勇，陈燕，潘骁骏，等 杭州市主城区暴雨内涝灾害风险区划 杭州师范大学学报：自然科学版，（）：王燕 深圳市自然灾害风险评估及应对策略研究 中国农村水利水电，（）：马晋毅 深圳市内涝形成原因分析与治涝对策研究 水利水电技术，（）：杨松彬，董志勇 河网概化密度对平原河网水动力模型的影响研究 浙江工业大学学报，（）：吴健生，张朴华 城市景观格局对城市内涝的影响研究 以 深 圳 市 为 例 地 理 学 报，（）：王林森，熊小兰，柯庆，等 基于 空间分析建模技术的内 涝 风 险 评 估 中 国 给 水 排 水，（）：王鹤翔 辽宁省水库抗雨能力计算分析 黑龙江水利科技，（）：林楠 降水时间变异度对大凌河流域洪水模拟的影响定量研究 水土保持应用技术，（）：（上接第 页）由表 可知，垂直缝 挤压作用明显，中下部作用大于上部，变化关系和面板的轴向应变规律基本相同。下部错位变形量平均为 ，最大变形量位于面板底部，为 。对比可知 要比 的竖向变形大，平均保持在 ，最大竖向变形量为 ，出现在面板的中下位置处，周边缝最大张开量 ，在坝体右岸的坝坡位置，最大错位变形 ，位于垂直缝 底部。结论文章基于土石坝非线性有限元分析原理，结合实际工程，有限元计算大坝和面板蓄水期的应力变形，结合面板施工缝的监测数据，得出大坝总体安全稳定性结论，综合认为堆石坝应力应变符合规范标准，面板轴向变形不对称，受变位影响右岸出现一定范围的垂直缝和周边缝裂缝，应适当采取工程措施稳定面板形变。参考文献：郭诚谦论筑坝材料性质对面板坝变形的影响 水利水电技术，（）：高莲士，宋文晶，汪如华 高面板堆石坝变形控制的若干问题 水利学报，（）：