高面板堆石坝分期分区填筑高差对坝体变形影响研究

郑治之，肖雨莲，罗 悠，李洪涛，姚 强，张正勇

（1.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；3.中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610065）

0 引 言

混凝土面板堆石坝取材方便且造价低，易于施工，能适应复杂的地质条件，已成为发展最快的坝型之一［1］。坝体变形是引起面板堆石坝面板开裂、脱空或渗漏的主要因素之一，而高面板堆石坝的分期填筑，对于坝体和面板的应力、变形特性会产生一定的影响［2］。

高莲士等［3］对高面板堆石坝进行变形分析，认为坝体的施工临时剖面形状与坝体变形特性相关。潘菲菲等［4］构建了高面板堆石坝填筑分期断面优化模型，对填筑断面的形状和尺寸进行了优化。王仁超［5］等通过建立上库填筑分期分区优化模型，利用异质粒子群算法优化求解得到最优的分期分区填筑方案并进行了验证。关志诚［6］对高面板堆石坝分期分区填筑方案优化展开了研究，从填筑形式、高差控制等方面优化分期分区填筑方案。谭丽丽［7］建立了数学模型来优化面板堆石坝分期分区填筑方案，系统研究了不同影响因素对坝体填筑的影响机制以及坝体变形与坝体填筑断面分区型式、尺寸之间的关系。早期发布的混凝土面板堆石坝施工规范［8］中规定坝体分期分区上下游填筑高差应不大于40 m，而新发布的规范［9］将其修订为30 m。为研究实际工程中填筑高差对坝体变形的影响，本文运用FLAC3D对阿尔塔什面板堆石坝进行三维数值模拟，得到填筑高差对坝体应力变形的影响规律并提出高差控制参数。

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程是新疆叶尔羌河干流山区下游河段的控制性水利枢纽工程，水库总库容22.49 亿m³，正常蓄水位182.0 m，电站装机容量755 MW。挡水坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，坝顶宽度为12 m，坝长795 m，最大坝高164.8 m，覆盖层地基最大厚度为94 m，上游主堆石区采用砂砾石料，上游坝坡坡度为1∶1.7，下游坝坡坡度为1∶1.6。坝体标准剖面图如图1所示，坝体材料分区主要分为：上游盖重区、上游铺盖区、混凝土面板、垫层料区、特殊垫层区、过渡料区、砂砾料区、石方利用料区、爆破料区、水平排水料区。

图1 大坝横剖面图Fig.1 A cross section of the dam

2 数值模拟

采用ANSYS 软件进行前处理，建立大坝三维模型图，并进行网格划分，然后将网格节点信息和单元信息另存为.lis 文件，导入FLAC3D中对模型进行材料赋值、设置边界条件、加载信息等处理后进行求解，最后利用Tecplot软件对计算结果进行后处理。数值计算模拟了坝体和覆盖层地基，网格尺寸控制为4 m，其基本计算流程如图2所示。

图2 基本计算流程图Fig.2 Basic calculation flow chart

因FLAC3D、ANSYS 等大型数值模拟软件中没有内置的邓肯-张模型，且FLAC3D中自带的FISH 语言并不能实现新本构模型的开发，故采用VS2010 软件中的c++编程模块，利用插件在VS2010 中生成与FLAC3D软件联机的模型模板，再修改内置本构模型编码。

2.1 计算模型

对于面板堆石坝，承受的荷载主要是坝体自重和水压力，本文仅研究施工期变形特性，因此水荷载可忽略，仅考虑重力荷载。地基覆盖层高94 m，坝体高度为164.8 m，坝长795 m，大坝与地基整体模型在x方向的范围为0～845 m，在y方向的范围为0～258.8 m，在z方向的范围为0～795 m。约束模型底面y=0和约束模型侧面z=0、z=-795 m，x=0、x=845 m，三维网格模型如图3所示。

图3 坝体与地基三维网格模型Fig.3 3D mesh model of dam and foundation

2.2 材料参数

筑坝材料采用本次开发的邓肯-张模型，混凝土面板采用弹性模型，坝体、面板及接触面的材料参数如表1～3所示。

表1 模型计算参数表［10］Tab.1 Model calculation parameter block

表2 面板计算参数表Tab.2 Panel calculation parameter block

表3 接触面单元计算参数表Tab.3 Calculation parameters of contact surface element block

2.3 计算方式

对于高面板堆石坝，全断面一次填筑不能满足防洪度汛及施工进度等要求时，需采用分期分区的填筑方法。分期分区填筑分为全断面平起填筑和错台填筑，反抬高下游的错台填筑形式一期填筑高差大，填筑方量大，有利于加快施工进度和提前形成挡水条件且可有效协调上下游堆石区界面以及临时斜坡位置处的变形。故采用反抬高下游的填筑形式研究分期分区填筑临时断面上下游高差对坝体变形的影响，通过改变一期坝体填筑末期，即图4中Ⅰ-4 部分坝体上下游填筑高差，用FLAC3D软件分别计算了阿尔塔什堆石坝一、二期填筑临时断面施工新、老填筑体的高差为5、10、15、20、25、30 m六种情况下的坝体应力变形分布，对6 种方案进行比较分析。以高差5 m 为例，填筑示意图如图4所示。

图4 分期分区填筑示意图（单位：m）Fig.4 Diagram of filling by stages and zoning

3 计算结果分析

3.1 一期坝体填筑完成后的坝体应力变形

各方案的上下游填筑高差的不同体现在Ⅰ-4坝体填筑上，因此重点关注坝体在一期坝体填筑完成以后的坝体应力变形，计算结果见图5。

由图5（a）可见，一期坝体填筑完成以后，随着上下游填筑高差的增加，竖直沉降呈现指数型增长，尤其明显的是当上下游高差达到30 m 时，坝体竖直沉降最大值达到了84.8 cm，与高差为5 m 时坝体最大沉降值47.6 cm 相比，前者为后者的1.78倍。

由图5（b）可见，随着上下游填筑高差的增加，上下游水平位移先减小再增长，在高差10 m 时同步出现拐点，高差大于10 m 以后，下游侧水平位移急剧增长，上游侧水平位移变化不大，因此上下游水平位移差也随之显著增长。

由图5（c）可见，坝体最大和最小主应力值随填筑高差变大而呈现增加的趋势。当上下游高差达到30 m时，坝体最大主应力的最大值达到了2.23 MPa，与高差为5 m 时坝体最大主应力的最大值1.95 MPa相比，前者为后者的1.14倍。

图5 一期坝体填筑后坝体应力变形图Fig.5 Stress and deformation diagram of dam body after the first phase of dam body filling

由分期填筑方案可知，填筑高差越大，一期坝体填筑方量越大，根据计算结果得填筑高差越大会造成较大的应力变形，从而使得上下游材料分区部位存在更大的概率朝向下游座落变形，可能会产生不利的剪切变形，也使得一期面板浇筑以后，发生面板脱空的几率也增加了，对面板稳定不利。

3.2 同一高程上下游各特征点沉降结果分析

为了进一步分析填筑高差对坝体沉降变形的影响，如图6所示，在1 739 m高程处选取了10个特征点，沿顺坡向从上游到下游依次分布，特征点1～5 位于坝体上游侧，特征点5 和6 之间为坝体上下游材料分界线，特征点6～10 位于坝体下游侧，特征点1～3 大致位于临时斜坡的坡底、坡中和坡顶位置在高程1 739 m 水平面上的投影点。一期坝体填筑完成后各特征点位置处沉降结果如图7所示。

图6 1 739 m高程处特征点位置（单位：m）Fig.6 The position of feature points at the elevation of 1 739 m

图7 1 739 m高程处各特征点沉降值Fig.7 Settlement values at each feature point at the elevation of 1 739 m

变形倾度法是一种常用的土石坝裂缝估算方法，彭翀等［11］将有限元变形分析与变形倾度法相结合，应用于糯扎渡高心墙堆石坝的裂缝分析，其原理如图8所示。在大坝同一高程处，取两观测点a、b，两点间水平距离为Δl，某一计算日期Tj两点累计沉降量分别为Sa和Sb，则定义a和b在日期Tj的变形倾度为：

图8 变形倾度法示意图［12］Fig.8 Schematic diagram of deformation inclination method

式中：γ为变形倾度；ΔS为该时刻两点间的累计沉降差，ΔS=|Sa-Sb|；Δl为两点间水平距离；δ为沉降点连线与水平面的夹角。

假设土体产生张拉裂缝的临界变形倾度为γc，当γ≥γc时，则认为土层该处可能发生剪切破坏；反之，则不发生。参考工程经验，γc一般取1%。

以变形倾度法计算不同填筑高差下一期坝体填筑完成后1 739 m 高程处各特征点间的变形倾度。各相邻特征点的水平距离均为30 m，由图7可知，特征点9 和10 间的累计沉降差最大。经计算得，高差25 m 时，特征点9 和10 间的变形倾度γ=0.78%，高差30 m 时，特征点9 和10 间的变形倾度γ=1.02% ＞γc=1%。由此可得，当填筑高差达到30 m 时，土体可能会发生剪切破坏。

因相邻特征点水平距离相同，故相邻两点间变形倾度与两点累计沉降差成正比。则由图7可以看出，各方案下各特征点沉降分布规律大致相同：从整体来看，坝体下游侧比上游变形倾度更大；从局部来看，临时斜坡位置处和上下游材料分界线处沉降变形倾度更大。相同位置处，相邻特征点变形倾度随填筑临时斜坡高差增加呈现递增的趋势，在上下游填筑高差达到30 m 时，变形倾度达到临界变形倾度。因此，建议上下游填筑高差应小于30 m。

3.3 后续填筑对一期面板变形的影响分析

在反抬高下游的填筑形式下，一期坝体填筑结束后浇筑一期面板，由实际工程施工经验可知，在后续坝体填筑影响下，由于后续二期、三期坝体仍有大方量堆石需要填筑，坝体变形及应力分布会继续发展。因一期面板的主要支撑结构就是一期坝体，后期填筑造成的坝体变形增长对于已经浇筑完成的一期面板是不利的，因此需要进一步关注后期填筑过程中一期面板的应力变形分布情况，在此基础上进一步对比分析不同填筑高差下的面板受力状况。

一期面板顶部浇筑高程为1 715 m，数值模拟计算中追踪此高程位置处的应力变形随后续填筑施工过程的增长特点，如图9所示。

图9 一期面板后续填筑过程应力变形变化图Fig.9 Stress deformation change diagram of phase I panel during subsequent filling process

由图9（a）可知，各种填筑形式下，面板变形变化规律大致相同：①一期面板随后续填筑高度增加，面板变形也随之变大；②二期坝体填筑时，面板变形增长较快，而三期坝体填筑时，面板变形增长速度较慢；③填筑高差大于10 m时，高差越大，竣工期面板变形越大。当填筑高差达到30 m时，面板变形最大值达到65.09 mm。④当上下游填筑高差为5 m 时，二期坝体的填筑对面板变形影响较为显著，二期坝体填筑完成以后达到1 778 m高程，面板变形增加了19.9 mm。由填筑分期方案可知，当上下游填筑高差越小，二期坝体填筑方量越大，且该部分坝体高程较高，而填筑剖面相对较小，使得坝体往上游侧挤压面板的效应更加明显。由此可知，并不是上下游填筑高差越小对坝体及面板越有利。

由图9（b）可知，各种填筑形式下，面板应力变化规律大致相同：①一期面板随后续填筑高度增加，面板应力也随之变大；②二期面板和三期面板浇筑对一期面板应力影响不大，而三期坝体的填筑对面板应力影响较明显；③填筑高差不同，竣工期面板应力值不同，整体表现为应力随着高差变大而递增的趋势；④填筑高差不同，面板应力变化速率也不同。上下游填筑高差为30 m 时，三期坝体填筑过程中面板应力变化幅度最大，增加了3 246.79 kPa，大约是高差5 m 时面板应力增加值的2.4倍。

4 结 论

（1）一期坝体填筑完成以后，随着上下游填筑高差的增加，竖直沉降呈指数型增长，主应力最大值呈逐渐增加的趋势，高差大于10 m以后，下游侧水平位移急剧增长。当填筑高差达到30 m 时，坝体最大竖直沉降84.8 cm，上游侧水平位移12.9 cm，最大主应力2.23 MPa。

（2）在同一高程处，相邻特征点变形倾度随着填筑临时斜坡高差增加呈现递增的趋势，在上下游填筑高差达到30 m 时，变形倾度达1.02%，超过临界变形倾度，土体可能发生剪切破坏。较小的填筑高差下，二期坝体的填筑对一期面板变形增加影响显著，较大的填筑高差下，三期坝体的填筑对一期面板主应力增加影响较明显。

（3）根据计算结果分析得到，填筑高差越大对坝体应力变形和面板受力更不利，当填筑高差达到30 m 时，坝体将发生剪切破坏。因此在设计填筑方案时，高面板堆石坝反抬高下游的填筑形式下错台填筑高差建议不超过30 m。