高面板堆石坝面板脱空影响因素分析

闫尚龙 朱 晟 朱昌杰

（1.河海大学 水工结构研究所，南京 210098；2.宁波市水利水电规划设计研究院，浙江 宁波 315100）

自20世纪70年代初重型振动碾压设备成功应用于坝工建设，再加上混凝土面板滑模浇注技术的成熟，使得混凝土面板堆石坝得到了迅速推广，成为当今世界拥有相当竞争力的坝型.同时，近年来随着混凝土面板堆石坝坝高的不断增加，其在施工过程中的坝体受力变形状况更加复杂，面板脱空问题等技术难题也备受关注［1］.天生桥一级电站面板堆石坝在开始运行后就出现了面板与垫层间脱空的现象，面板脱空导致面板在局部范围内成为一端受约束的悬臂梁，最终形成明显的反弯点，产生较大的弯矩使得面板的应力状态迅速恶化从而导致面板表面出现裂缝［2－4］.目前，面板脱空的成因以及影响已成为高面板堆石坝中的一个重要研究课题.

1 工程背景以及数值模型建立

云南某混凝土面板堆石坝初拟方案最大坝高275.5m，坝顶宽14.0m，主坝坝体从上游到下游分为混凝土防渗面板、垫层、过渡层、堆石区、下游坡面干砌石护坡以及坝基排水.坝体上游坡坡比1∶1.5，下游坡坡比为1∶1.5.面板采用变厚混凝土面板，厚度从40cm渐变至135cm；混凝土面板下游设水平宽5m的垫层料和水平宽6m的过渡料.在坝体顶部坝高1／4范围内设增模区.坝基开挖后经处理地质现象基本良好.

考虑到坝体填筑高程较高，坝体荷载采用逐级加载的模拟方式.按每期坝体填筑高程的顺序，整个坝体及面板共分49级来模拟，如图1所示.

图1 坝体填筑加载设计（高程单位：m）

以河床典型剖面为基准，采用三维自动剖分程序剖分坝体单元，沿坝轴线方向共设定了73个计算剖面进行剖分，网格剖分以8结点六面体空间等参单元为主，局部辅以6结点五面体单元，整个坝体结构共剖分得到总结点数19 707个，总单元数16 117个，其中实体单元14 166个，接触面单元955个，竖缝单元932个，周边缝单元64个，典型剖面有限元网格如图2～3所示.

图2 大坝剖分网格立视图

图3 大坝典型横断面有限元网格

数值模拟时，将混凝土面板视为线弹性材料，其材料参数为E＝26GPa，μ＝0.27，ρ＝2 500kg／m3，其中，E为材料弹性模量，μ为材料泊松比，ρ为材料密度.堆石料是面板坝工程的主体，其变形性态的合理模拟决定了对整个面板坝结构变形性态预测的准确性和可靠性.筑坝堆石料是非线性材料，变形不仅随荷载的大小而变化，还与加荷的应力路径相关，应力应变关系呈现明显的非线性特性.邓肯－张模型公式简单，参数物理意义明确.三轴试验研究结果表明，其对土体应力应变非线性特性亦能较好地反映.因此堆石料、垫层和过渡料等非线性材料采用工程常用的邓肯E－B模型模拟，坝体各分区填筑材料的参数根据室内三轴试验结果确定，各分区材料参数见表1.面板堆石坝中由于混凝土面板和垫层料的刚度差异较大，为模拟两种材料间的相互作用，在有限元分析时，设置Goodman接触面单元处理这种位移不协调.

表1 大坝各分区材料邓肯E－B模型参数

2 面板脱空的影响因素分析

由于该面板堆石坝坝体高度达到275m，同时面板及坝体填筑分期比较复杂，因此本文以下均以Ⅰ期面板作为研究对象来详细探究影响面板脱空问题的3种因素.同时，研究采用控制变量法即控制其他条件不变的情况下，研究单一因素对面板脱空的影响.

2.1 已填筑坝体超高对面板脱空的影响

根据工程设计方案，预沉降时间为6个月，拟定Ⅱ期面板浇筑前填筑堆石体超高（堆石体相对Ⅰ期面板超高）分别为20m、40m、60m3种方案.分析堆石体超高对Ⅰ期面板脱空的影响，如图4所示.通过坝体三维有限元仿真，模拟坝体的填筑、度汛过程.分别分析了3种超高方案对Ⅰ期面板脱空的影响，具体结果见表2.

图4 面板超高方案

表2 不同坝体超高方案下Ⅰ期面板脱空值

图5～7分别为已填筑坝体超高20m、40m、60m时Ⅰ期坝体水平向变形云图.坝体在填筑过程中由于泊松效应，堆石体存在着向外鼓胀的现象，致使Ⅰ期面板顶部均产生一定程度的脱空现象，且随着已填筑坝体超高的增加，面板顶部的张开量逐渐减小，面板的脱空深度也得到了显著改善.已填筑坝体超高20 m时Ⅰ期面板的张开量为2.53cm，脱空深度达18.4 m，当坝体填筑超高为60m时，Ⅰ期面板张开量减为1.57cm，脱空深度锐减为5.1m.可以看出，增加已填筑坝体超高可以有效地减小面板脱空.因此，在实际的工程施工中，增加已填筑坝体的超高是可取的，应结合实际工程的施工方案确定具体的超高方案.

图5 已填筑坝体超高20m时Ⅰ期坝体变形云图

图6 已填筑坝体超高40m时Ⅰ期坝体变形云图

图7 已填筑坝体超高60m时Ⅰ期坝体变形云图

2.2 坝体预留沉降时间对面板脱空的影响

根据该面板堆石坝的施工进度安排，研究Ⅰ期面板在预沉降时间分别为3个月、6个月、9个月时的面板脱空情况（Ⅱ期面板浇筑前）.模拟坝体的填筑、度汛过程，计算分析了3个预沉降方案对Ⅰ期面板脱空的影响，具体结果见表3.

图8～10分别为预沉降时间3个月、6个月和9个月时Ⅰ期坝体水平向变形云图.随着预沉降时间的增加，面板浇筑前堆石体由于泊松效应向外鼓胀的量值逐渐趋于稳定，这有助于减小面板顶部的脱空程度.在预沉降时间为3个月时Ⅰ期面板存在2.78cm的张开量，脱空深度达22.7m；而预沉降时间为6个月时，Ⅰ期面板张开量减为1.08cm，脱空深度锐减为3.7m.可以看出，延长坝体的预沉降时间可有效地减小面板脱空的程度，同时坝体的预沉降时间越长越有利于减少面板脱空程度，但预沉降时间超过6个月时，预沉降时间对面板脱空的影响越来越小，因此过分延长预沉降时间是不可取的，在实际工程中建议可结合具体工程的实际施工进度综合确定预沉降时间.

图8 预沉降3个月时Ⅰ期坝体变形云图

图9 预沉降6个月时Ⅰ期坝体变形云图

图10 预沉降9个月时Ⅰ期坝体变形云图

2.3 坝体临时断面充水预压对面板脱空的影响

在预沉降时间6个月的方案下研究坝体临时断面充水预压对Ⅰ期面板脱空的影响，具体结果见表4.图11～12分别为采用和不采用临时断面充水预压时的坝体水平向变形云图.

表4 坝体是否采取临时断面充水预压时Ⅰ期面板脱空值

图11 坝体临时断面未充水预压Ⅰ期坝体变形云图

图12 坝体临时断面充水预压后Ⅰ期坝体变形云图

当采用坝体临时断面充水预压时，坝体进一步趋于密实，坝体模量有一定程度的增大，坝体填筑过程中向外鼓胀量值相比未采用充水预压时有所减小，这有助于减小面板脱空的程度.结果表明，未采取坝体临时断面充水预压时，面板张开量值为1.62cm，脱空深度为8.8m，采用充水预压后，其张开量值减为1.57cm，脱空值减为5.1m，面板脱空得到一定程度的改善.分析脱空值大小也可以看出，坝体临时断面充水预压对面板脱空的影响不是很明显，因此，在实际的工程中，可以结合施工导流度汛安排，把坝体临时断面充水预压作为改善面板的脱空的一个辅助措施实施.

3 结 论

本文以云南某高面板堆石坝为例，通过三维非线性有限元仿真计算详细模拟其施工程序和蓄水过程，从坝体填筑超高、坝体预留沉降时间、坝体临时断面充水预压3个主要方面探究其对面板脱空的影响.结果表明：从改善面板脱空的角度而言，增加坝体预留沉降时间方案的改善效果最显著，但当预留沉降时间超过6个月时面板脱空的减小程度有限，应结合实际工程情况合理确定预留沉降时间；增加已填筑坝体超高方案的改善效果其次，建议拟定分期施工方案时予以考虑；坝体临时断面充水预压对面板脱空的改善有限，可作为减小面板脱空的辅助措施.

［1］ 沈长松，李艳丽，郑福寿.面板堆石坝面板脱空现象成因分析及预防措施［J］.河海大学学报，2006，34（6）：635－639.

［2］ 赵魁芝，李国英，沈珠江.天生桥混凝土面板堆石坝面板原型观测资料反馈分析［J］.水利水运科学研究，2001，（1）：38－44.

［3］ 肖化文，杨 清.对高面板堆石坝一些问题的探讨［J］.水利水电技术，2003，34（2）：9－12.

［4］ 张丙印，师瑞锋.流变变形对高面板堆石坝面板脱空的影响分析［J］.岩土力学，2004，25（8）：1179－1184.