将军庙水库混凝土面板砂砾坝静力特性分析

徐向东，苏 凯，陈怡菡

(1. 新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002；2. 武汉大学海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室，湖北 武汉 430072)

1985年开工建设的西北口面板堆石坝(坝高95 m)开启了中国现代混凝土面板堆石坝的建设篇章[1-2]，经过40多年的发展，混凝土面板堆石坝已经充分展示了其在安全性、经济性和良好的适应性等方面的优越性，表现出来了极强的竞争性，建坝数量和建坝高度都取得了快速发展，全世界已建的面板堆石坝接近400座，其中国内已建和在建的100 m级高面板坝近40座，并有多座200 m级面板坝[2-3]。混凝土面板堆石坝的主要工程问题是坝体变形过大引起面板接缝变形过大而导致止水结构破坏，或坝体变形过大引起混凝土面板开裂或者破坏，变形问题特别是对面板及其接缝位移的控制是面板坝设计的主要技术问题之一[4-6]。对不同工况下坝体变形特性及变形控制措施进行研究，使面板接缝变形值以及混凝土面板应力在允许范围内，是面板堆石坝成败的关键[2,3,7,8]。

数值模拟是面板坝应力变形研究的主要手段之一，近30年来，我国在面板坝数值模拟方面开展了大量的研究工作，在坝体本构模型、接触面模拟、计算参数、坝料流变特性和坝料湿化特性、坝体后期变形等方面取得了较为丰富的研究成果[9-17]。随着天生桥1级、洪家渡、水布垭、紫坪铺、吉林台一级等面板坝建成运行，人们的认识水平有了进一步发展，以往研究中存在的问题和解决的思路也逐渐清晰[15,18-23]。堆石料的变形特性很复杂，坝体结构设计、坝料特性、级配特征、填筑密度、施工顺序等都对坝体的应力变形特性产生巨大影响，而新疆地区由于受限于当地的工程建筑材料，更多的选用了砂砾石作为主要筑坝材料[24-26]，坝体的应力变形特性体现了不同于普通堆石料筑坝材料的特性。本文针对这一问题，结合新疆将军庙水库工程实际，依次介绍了工程基本情况、坝基处理措施、筑坝材料特性等，并建立了对应的数值计算模型，讨论了竣工期和蓄水期间坝体的受力变形、面板的变形与接缝的张开等情况，论证了工程初步设计方案的可行，以期为同类工程提供参考。

1 工程背景

1.1 枢纽整体规划与布置

将军庙水库是新疆奎屯河引水工程的重要组成部分，奎屯河引水工程位于新疆天山北坡中部，准噶尔盆地西南缘，奎屯市、乌苏市和克拉玛依市独山子区境内，奎屯河流域上游。由奎屯市、乌苏市、克拉玛依市独山子区所组成的三角区域，被经济学家誉为新疆经济发展的“金三角”地区，是新疆维吾尔自治区西部大开发战略规划的天山北坡经济带三个区域经济中心之一，是新疆最具有发展潜力、重点扶持、率先发展的地区。奎屯河是金三角地区的最主要的水源，奎屯河引水工程直接向农七师、奎屯市、乌苏市、独山子区供水，安全可靠的供水是“金三角”地区经济持续快速发展的重要因素之一(见图1)。

图1 将军庙水库枢纽布置图

1.2 大坝体型设计

将军庙水库大坝受限于当地工程建设材料，选用了钢筋砼面板砂砾石坝[24,26-27]，坝顶高程为1 446.5 m，防浪墙顶高程1 447.7 m，最大坝高133.0 m，坝顶长600 m，坝顶宽10 m，设有4.7 m高“L”型钢筋砼防浪墙，上游坝坡为1∶1.7，下游坝坡采用1∶1.7与1∶1.5结合(两级马道以上坡度为1∶1.7两级马道以下坡度1∶1.5)，为满足施工及运行期的观测巡视要求，在下游坡设4级“之”字形上坝道路，路宽10 m，坡度8%，采用混凝土路面，最大断面下游平均坡度约为1∶1.95。为提高坝体的抗震稳定性，下游采取必要的处理措施，下游护坡自坝顶以下2级马道间采用砼网格加伸入坝体的土工格栅25 m/10 m间隔布置，格栅层距1.6 m。浆砌石护坡厚0.4 m，下游其余坝坡均为厚度0.3 m的浆砌石护坡。下游坝坡在1 342.0 m高程以下设置抛石区，顶宽为3.0 m。边坡1∶2.0采用超径石填筑。

坝体堆石从上游向下游依次分为垫层区、坝壳砂砾料区、排水体区、开挖利用料区、抛石区。另外在面板迎水面底部设有上游粘土铺盖区和抛石盖重区。混凝土面板砼采用C30F300W12，厚度0.4～0.85 m，单层双向钢筋。河床部位受压区面板宽16 m共17块，岸坡部位受拉区面板宽8 m，左岸8块，右岸13块，为适应变形古河槽部位面板宽8 m，共16块。大坝典型剖面图如图2所示。

1.3 坝基处理

左坝肩处理：①趾板及垫层基础，将表面覆盖层全部挖除并开挖至基岩弱风化上部岩石上。趾板上游侧岩石开挖永久边坡采用1∶0.75，临时边坡1∶0.5，下游侧开挖边坡1∶1.5。②坝体基础，坝体范围内全部清除两岸卵砾石层、坡积碎石土层等覆盖层。

河床段处理：①趾板及垫层基础，将表面覆盖层全部挖除并开挖至基岩弱风化上部岩石上，岩石开挖永久边坡采用1∶0.75，临时边坡1∶0.5。②坝体基础，河床段坝基覆盖层为第四系全新统冲积物厚10～14.0 m，需清除表层5 m松散覆盖体，经强夯处理后可作为坝体基础。

右坝肩处理：古河槽处，全部清除古河槽表层约5～10 m的坡积物覆盖层及下部5 m厚表层冲积物，经基础强夯后可作为趾板及坝体基础。此处趾板宽度增加至10 m，趾板端部连接防渗墙深入基岩1 m形成封闭防渗体。防渗墙厚1 m，防渗墙沿轴线每两米预埋帷幕灌浆导向管。防渗墙采用C35混凝土。经强夯处理后可作为坝体基础。其余部分趾板及坝体基础处理与左坝肩同。

图2 将军庙水库混凝土面板坝典型剖面图

2 计算模型与材料参数

2.1 计算模型

本文采用有限元进行计算分析，其中计算中空间单元采用8结点六面体等参单元，为适应坝体边界的变化，边界部分退化为三棱体或四面体单元。坐标系定义为：X为轴向，指向右岸为正，零点设置在桩号0+0.00剖面处；Y为顺河向，指向下游为正，零点为坝轴线0+0.0位置；Z为垂直向，向上为正，以其高程为垂直向坐标值。将军庙面板坝三维网格剖分如图3，单元总数250 386个，结点总数253 142个。河床最大剖面0+220.0网格剖分以及右坝肩古河槽最大剖面0+400网格剖分如图3。

图3 有限元计算模型图

2.2 计算方法

应力变形计算采用基于总应力法的非线性有限元方法。其中，堆石料模型采用Duncan E-B模型，Duncan E-B模型能较好地反映堆石料非线性、压硬性等特点，该模型参数确定简单，运用方便，所以在我国工程界得到广泛应用。混凝土结构采用线弹性模型，混凝土与土体之间采用接触单元模拟其接触性状。

岩土工程中广泛适用的接触面单元是Goodman单元。Goodman单元概念清晰，接触面本构模型采用双曲线模型，在一定程度上能反映接触面的剪切特性，切向劲度系数可通过直剪试验简便得到，参数易确定，因此长期以来得到了广泛应用。由于接触面之间往往是粗糙的，因此剪切破坏并不是发生在接触面上，而多发生在附近土体中，在接触面附近形成一个剪切错动带，这个剪切错动带内土体的应力变形性质明显不同与周围土体，它代表了接触面的特性。因此，采用有厚度的薄层单元能避免两侧的相互嵌入，也能更好地反映接触面变形机理。

本文采用Goodman单元模拟混凝土面板与垫层之间接触关系，采用薄层单元模拟防渗墙与周围土体的接触关系。

面板接缝采用连接单元模拟，其应力与位移的关系表示为

(1)

式中：τyx为接缝连接单元顺缝向剪应力；σyy为接缝连接单元张拉方向正应力；τyz为接缝连接单元垂直缝向剪应力；δyx、δyy、δyz分别为周边缝连接单元在剪切向、张拉向和沉陷三个方向的位移。至于劲度系数kyx、kyy和kyz，根据有关文献采用表1所示的形式。

表1 连接单元劲度表达式

2.3 仿真计算过程

岩土材料的应力变形特性不仅与其所受的荷载有关，而且与所经受的应力路径密切相关，因此，在进行坝体应力变形分析时必须严格按照设计提供的施工程序(坝体填筑、混凝土面板浇筑、蓄水等过程)进行模拟。大坝施工顺序和蓄水过程如下：

第三年4月至10月进行趾板砼浇筑，4月开始大坝砂砾石填筑，5月开始坝体垫层排水料等填筑。第四年5月底坝体临时断面填至1 380 m高程，达到百年一遇洪水的坝体高程；面板浇筑至1 374 m。第五年5月底坝体断面填至1 410.0 m高程，9月底坝体全断面填至1 446.5 m高程；面板浇筑1 446.5 m。

面板分两期浇筑，面板一期高程1 374 m，二期浇筑至1 446.5 m。计算时采用逐级加载的方法模拟坝体填筑、面板浇筑等施工工序，水库蓄水运行过程通过水荷载分级施加进行模拟。填筑、蓄水过程共采用84个荷载级模拟。

2.4 材料参数

本工程对垫层区、主堆石区和次堆石区砂砾料，以及覆盖层砂卵砾石料开展了大型三轴剪切试验，计算参数根据室内大型三轴试验确定。现阶段垫层区按相对密度0.9设计，较前期试验0.85有所提高，参数相应提高，过渡区参数则类比垫层区、主堆石区参数经验确定。最后采用的参数如表2所示。

混凝土面板、趾板(C30)按线弹性材料考虑，计算参数为：ρ=2.45 g/cm3，E=30 GPa，μ=0.167；防渗墙(C35)计算参数为：ρ=2.45 g/cm3，E=31.5 GPa，μ=0.167。

混凝土面板与垫层之间的接触面模型参数参考天生桥一期资料确定，具体为：K1=4 800，n=0.56，Rf=0.74，c=0，δ=36°。

表2 将军庙水库面板坝静力计算参数

3 计算结果分析

3.1 坝体应力与变形

竣工期和蓄水期坝0+220剖面顺河向变形和沉降计算结果见图4，可以看出：竣工期，坝体最大上游向和下游向变形分别为17.9、16.9 cm，坝体最大沉降为62.3 cm。蓄水至正常蓄水位，坝体最大上游向变形减小至5.1 cm，最大下游向变形增至19.2 cm，最大沉降增至66.0 cm。蓄水期坝体最大沉降量值约占坝高的0.49%，发生在坝轴线、1 378 m高程(0.5坝高)处。

图4 坝0+220剖面顺河向变形和沉降等值线图(单位：cm)

从计算结果可以看出：竣工期和蓄水期坝0+220剖面大主应力和小主应力的最大值分别为2.13、0.79、2.29、0.85 MPa，详见图5。各阶段，坝内的应力水平都不大，大部分在60%以内，局部虽偏高，最大值达到0.8，但低于1，未达到塑性破坏程度，详见图6。

图5 坝0+220剖面大、小主应力等值线图(单位：MPa)

图6 坝0+220剖面应力水平等值线图(单位：%)

3.2 面板应力变形

蓄水期面板的轴向变形和挠度分布如图7所示，面板内的轴向应力和顺坡向应力分布如图8所示。古河槽引起的拉应力区已用阴影标出，可以看出：坝轴向变形虽总体上表现为由两岸向河谷中央的挤压，但受右坝肩古河槽的影响，在古河槽与基岩的交界处轴向变形减少，从而导致在该部位出现较大的拉应力区。同样在顺坡向，由于存在较大的差异沉降，在该部位出现了较大的拉应力区。蓄水期面板指向右岸和指向左岸的轴向变形最大值分别为2.9 cm和2.6 cm，挠度最大值为27.7 cm；面板轴向压、拉应力最大值分别为6.65、1.36 MPa，顺坡向最大压、拉应力最大值分别为5.03、1.14 MPa，面板应力在混凝土强度允许范围内，混凝土面板不会发生拉压破坏。

图7 蓄水期面板变形等值线图(单位：cm)

图8 蓄水期面板应力等值线图(单位：cm)

3.3 接缝变形

蓄水期防渗墙与连接板之间的接缝处于压紧状态，接缝变形以沉陷为主，沉陷值分布如图9所示。接缝沉陷最大值为34.9 mm。该变位在目前止水结构及材料能够适应的变形范围内。蓄水期面板周边缝的张拉量见图10，蓄水期周边缝两岸坡大部分区域处于张开状态，最大张开量为22.4 mm，位于坝0+328剖面。蓄水垂直缝的张拉区域与量值见图11，河谷中央垂直缝处于压紧状态，两岸垂直缝处于张开状态，最大张开量为10.1 mm，位于坝0+312.0剖面。

图9 蓄水期连接板与防渗墙相对沉陷变位图

图10 蓄水期周边缝张拉变形图(张开为正，单位：mm)

图11 蓄水期竖缝张开变形图(张开为正，单位：mm)

4 结 语

基于三维静力有限元法静力分析结果，得到的主要结论如下：

1)竣工期、蓄水期坝体最大沉降分别为70.3、72.8 cm。坝体最大沉降量值约占坝高的0.55%，右坝肩古河槽处竣工期、正常蓄水位运行时坝体沉降最大值分别为61.5、62.3 cm，发生在建基面上。竣工期坝体顺河向位移指向上游最大值17.9 cm，指向下游变形最大值为16.9 cm，蓄水期指向上游最大值5.1 cm，指向下游变形最大值为19.2 cm，坝体位移分布规律和量值符合面板坝的一般规律，处于可控范围。

2)蓄水期面板轴向压、拉应力最大值分别为6.65 MPa和-1.36 MPa，顺坡向压、拉应力最大值分别为5.03 MP和-1.14 MPa，面板顺坡向和坝轴向拉应力较大部位均出现在古河槽与基岩的交界处，应进一步关注古河槽的影响。

3)蓄水期防渗墙与连接板之间的接缝处于压紧状态，接缝变形以沉陷为主。接缝沉陷最大值为34.9 mm，在止水结构及材料能够适应的变形范围内。蓄水期周边缝两岸坡大部分区域处于张开状态，最大张开量为22.4 mm；河谷中央垂直缝处于压紧状态，两岸垂直缝处于张开状态，最大张开量为10.1 mm；整体来说面板周边缝、垂直缝的变位量值均较小，可以满足设计要求。