深厚覆盖层面板堆石坝施工期应力变形分析

肖雨莲 唐德胜 关富僳 涂思豪 李洪涛

摘 要：新疆阿尔塔什水利枢纽工程面板堆石坝坝高164.8 m，地基覆盖层最大厚度94 m，坝体和面板协调变形问题对大坝安全有重要影响。采用三维有限差分软件FLAC3D，对阿尔塔什水利枢纽工程深厚覆盖层面板堆石坝在施工期的应力变形进行了分析，结果表明：坝体最大沉降变形发生在1/3坝高位置;坝0+475剖面最大沉降量为0.55 m，覆盖层的变形量为0.32 m，覆盖层变形占坝体最大沉降变形的58%，河床深厚覆盖层产生的压缩变形对坝体的沉降变形影响较大;靠近坝轴线坝体沉降变形随填筑过程发展较快，高程1 680.0～1 736.0 m和高程1 736.0～1 752.0 m坝体填筑过程中沉降速度分别为2～3 cm/8 m和5～6 cm/8 m;数值计算结果与施工期实测沉降变形和变形特征较为吻合。后期施工和大坝运行过程中应对深厚覆盖层的变形加以关注，适当放慢施工进度，对于分期面板浇筑应适当预留一定沉降期。

關键词：面板堆石坝;有限差分法;应力;变形;覆盖层;阿尔塔什水利枢纽

中图分类号：TV314;TV641.4+3 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.025

Abstract： The dam height of the Altash face rockfill dam in Xinjiang is 164.8 m， and the maximum thickness of the overburden foundation is 94 m. The coordinated deformation of the dam body and the panel has an important impact on the dam safety. The three-dimensional finite difference calculation program FLAC3D was used to analyze the stress and deformation of the Altash deep overburden face rockfill dam during construction. The results show that the maximum settlement deformation of the dam occurs at 1/3 dam height. The maximum settlement of the dam 0+475 section is 0.55 m， and the deformation of the cover layer is 0.32 m， and the deformation of the cover layer accounts for 58% of the maximum settlement deformation of the dam. The compression deformation caused by the deep cover of the river bed has a great influence on the settlement deformation of the dam body. The settlement deformation of the dam near the dam axis develops rapidly with the filling process. When the dam is filled to an elevation of 1 680.0-1 736.0 m and an elevation of 1 736.0-1 752.0 m， the settlement increase rate is about 2-3 cm/8 m and 5-6 cm/8 m. The numerical results are in good agreement with the measured settlement deformation and deformation characteristics during the construction period. In the later construction and dam operation process， attention should be paid to the deformation of deep overburden， and the construction progress should be slowed down appropriately. A certain settlement period should be reserved for the staged panel pouring.

Key words： face rockfill dam; finite difference method; stress; deformation; cover layer; Altash face rockfill dam

混凝土堆石体是面板堆石坝的重要组成部分，其变形程度对坝体稳定和安全有很大影响[1]。坝体应力变形分析是坝体设计不可缺少的一部分[2]，施工期坝体应力变形是衡量大坝安全可靠性的重要指标[3]。随着数值计算的快速发展，数值分析逐渐成为面板堆石坝应力变形分析的重要方法，其中基于有限元、有限差分原理的数值分析方法应用最为广泛[4]。FLAC3D有限差分软件在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等方面有其独特的优势[5]，FLAC3D软件的应用范围涵盖水利、公路、铁路、市政等领域，尤其在堆石坝、隧道、基坑、边坡以及桩基等岩土工程中广泛应用[6]。国内诸多学者采用FLAC3D软件对土石坝进行了仿真模拟，杨星等[7]利用FLAC3D动力弹塑性模型对土石坝进行了地震反应分析，秦鹏飞[8]基于FLAC3D有限差分软件对某病险水库的防渗加固稳定性进行了分析计算。但当前涉及高寒地区深厚覆盖层高面板堆石坝工程的研究较少。同时，有限元应力变形计算中，邓肯-张E-B模型是面板堆石坝应力变形数值计算中最常用的材料本构模型之一[9]，但是主流大型数值计算软件并没有内置该模型[3]，FLAC3D中本构模型的二次开发不能通过其自带的FISH语言来完成，必须通过面向对象的编程语言C++来实现[10]。

鉴于此，笔者依托阿尔塔什水利枢纽工程，运用三维有限差分软件FLAC3D进行邓肯-张E-B模型的二次开发，模拟分析施工期面板堆石坝坝体的应力变形，获得深厚覆盖层面板堆石坝施工期应力变形特征，通过与实测资料进行对比验证数值计算结果的可靠性，并对施工期坝体变形的协调控制提出建议。

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程是叶尔羌河干流下游河段的控制性水利工程，位于新疆维吾尔自治区南疆喀什地区。水库总库容22.49亿m3，坝顶高程1 825.80 m，正常蓄水位1 820.0 m，在保证向塔里木河生态供水和叶尔羌河流域灌区灌溉用水的前提下，满足防洪、发电等综合利用要求。枢纽工程的拦河坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，坝高164.8 m，地基覆盖层最大厚度为94 m，地基覆盖层与大坝总高度达258.8 m（高于水布垭水电站的233 m）。工程主要受“三高一深（高邊坡、高面板堆石坝、高地震带、深覆盖层）”控制，因此被称为新疆的“三峡工程”。坝体分为10个区，大坝横剖面见图1。

2 计算程序

首先提取坝区平面布置CAD图模型的几何尺寸;然后利用ANSYS进行建模（前处理），将模型导入FLAC3D软件，模拟坝体分层施工过程并保存结果（求解）;最后导入Tecplot中进行计算结果的整理分析（后处理）。模型二次开发主要工作包括Visual Studio环境设置以及.h头文件和.cpp源文件编码。C++编译邓肯-张模型解决方案成功后生成动态链接库文件（.dll文件），然后通过设置cppudm选项载入模型到FLAC3D模型库中，通过model load命令供用户调用。数值建模计算过程见图2。

2.1 模型建立

依据设计图和坝体分区，利用ANSYS建立的三维模型主要包含混凝土面板、挤压边墙、垫层区、过渡区、砂砾石料区、下游爆破料区以及覆盖层地基。数值模型的总节点数为273 642，单元数为367 886。考虑到面板与挤压边墙可能产生错动、滑移、脱空、挤压等受力情况，接触面模型采用摩尔-库仑剪切模型。

2.2 材料参数

材料参数采用超大型三轴仪（试样直径1 000 mm和800 mm）的试验结果，见表1，其中：γ为容重;c、φ为摩尔-库仑强度指标，分别为黏聚力和内摩擦角;Rf为破坏比;K、n为初始切线弹性模量参数;Kb、m为体积模量参数;Δφ为摩擦角随围压降低的幅度。本次计算采用的接触面单元参数：内摩擦角φ取54°、法向刚度kn取1.5×108、切向刚度ks取1.5×108，抗拉强度、黏聚力、膨胀角都为0。

2.3 边界条件及加载方式

数值模型地基覆盖层厚度为94 m，忽略防浪墙等构造物的高度，坝高163 m，以模型最左下角的点为坐标原点，根据模型尺寸得出整体模型的坐标范围：Z向0～257 m，Y向0～795 m，X向0～815 m。覆盖层较厚可以视其下基岩是不变形的，模型底面Z=0。相应地，模型的前侧面Y=0、后侧面Y=795 m，模型左侧面X=0、右侧面X=815 m。

荷载主要有自重荷载和水荷载，本文研究深厚覆盖层上面板堆石坝施工期应力变形特性，故仅考虑自重荷载作用。为了模拟堆石体分层填筑碾压过程，在建立实体模型时沿坝体竖直高度方向，每8 m一层将模型切割分层，模拟计算时采用逐级加载方式，即坝体按照8 m一级分层逐级加载，坝体分20级填筑（加载）。主要分析深厚覆盖层上面板堆石坝施工期应力变形特性，计算工况仅取竣工期。

3 坝体应力变形模拟结果分析

坝址区河谷地形条件具有较好的对称性，为了便于和施工期实测数据进行对比分析，结合大坝监测资料，坝体应力变形分析选取坝0+160、坝0+475两个具有代表性的剖面进行分析，这两个剖面分别是偏向左岸的断面和靠近中心河床位置的断面。坝体应力变形模拟结果见图3（水平位移为正表示位移方向向右、为负表示位移方向向左;应力为负表示应力方向竖直向下）、图4、表2。

由图3、图4可知，坝0+160剖面和坝0+475剖面坝体内最大沉降量均发生在大坝约1/3高度位置，沉降变形整体呈较好的对称性。靠近上游侧的坝体和覆盖层地基变形朝向上游，下游侧的变形朝向下游，且水平位移向覆盖层底部发展。两个剖面覆盖层的水平位移均表现为从坝坡坡脚向坝体内部发展的特征，坝坡坡脚变形最大。

两个剖面的应力特征值见表3。最大主应力分布主要受重力作用影响，与竖直向应力分布特点较为接近，从大坝表面至覆盖层地基底部位置，最大主应力沿竖直方向不断增大并呈现一定规律性。同时，在填筑分区位置（上游砂砾石料与下游爆破料分界线）出现一条不太明显的错位现象，说明在分界面存在应力突变和剪切作用，施工时要注意分区部位的施工质量，保证填筑碾压水平。将坝体和地基分开来看，从大坝表面到大坝底部、地基建基面到地基底面最小主应力呈增大趋势。

4 模拟结果与实测结果对比

坝0+475剖面监测点布设见图5。施工期实测变形结果与数值计算结果对比见图6，其中实测时间为大坝填筑到高程1 795 m时。坝体最大沉降量发生在1/3坝高位置。在高程1 671.0 m和高程1 711.0 m，坝体最大沉降量分别为0.32、0.55 m，覆盖层变形量占坝体最大沉降量的58%。河床深厚覆盖层产生的压缩变形对坝体的沉降变形影响较大。地基天然砂砾石是很好的面板坝筑坝材料，其碾压后具有较大的变形模量使得后期变形较小，下游爆破料强度相对较低，故坝体实测沉降峰值略偏向下游爆破料区。

根据靠近坝轴线测点（TC3-3、TC2-4、TC1-5）的监测数据，沿竖直方向向下坝体沉降变形规律为初期变形较小，施工作业面以下10 m范围内，沉降变形不超过10 cm;从施工作业面以下约35 m开始坝体沉降变形增长较快;再向下，每向下10 m坝体沉降变形增加4.5 cm左右。在建基面（高程1 671.0 m）附近，坝体沉降量为43 cm。数值计算沉降变形均大于相应监测点的实测值，但与实测变形趋势较为吻合。上游侧存在一定偏差但误差在10 cm以内，数值模型可较为精确地模拟深厚覆盖层上面板堆石坝的变形。

5 坝体填筑过程对沉降变形影响分析

坝0+475剖面1 671.00 m高程下，编号为TC1-1～TC1-7水管式沉降仪监测点分别对应该剖面坝上0+260、坝下0+192、坝上0+125、坝上0+056、坝下0-010、坝下0-081、坝下0-152位置。模拟了分层填筑施工的过程，在数值模拟软件中利用hist命令跟踪监测坝0+475剖面在高程1 671.0 m下对应监测点位的沉降值，分析坝体填筑过程对其沉降变形的影响，见图7。

大坝填筑过程的沉降变形

TC1-1、TC1-2位于坝体上游砂砾石料区，TC1-1处和TC1-2处沉降速度约为1 cm/8 m和1.5 cm/8 m。在填筑到高程1 768.0 m时，两处沉降变形速度分别增大到2 cm/8 m和3 cm/8 m。上游砂砾石料区是面板结构的主要支承堆石体，靠近上游侧变形得到一定控制，有利于改善面板的受力状态，较小的变形对面板结构是有利的。TC1-6位于下游侧靠近坝轴线位置，TC1-5处于坝轴线上，这两处的沉降变形幅度较大，表明在后续填筑过程中，靠近坝轴线位置的坝体沉降变形发展速度较快。高程1 680.0～1 736.0 m坝体填筑过程中，坝体沉降变形较为均匀，沉降速度为2～3 cm/8 m。高程1 736.0～1 752.0 m坝体填筑过程中，坝体沉降幅度较大，沉降速度为5～6 cm/8 m。高程1 760.0～1 825.0 m坝体填筑过程中，沉降变形速度显著增大，其中TC1-4、TC1-5、TC1-6随后续填筑沉降变形速度最快，为8～10 cm/8 m。

6 结 论

采用三维有限差分软件FLAC3D对阿尔塔什水电站混凝土面板堆石坝进行了施工期应力变形模拟分析，将两个断面的模拟计算结果与大坝施工期实测资料进行对比分析，并对坝体填筑过程对沉降变形的影响进行了分析。

（1）由数值计算结果可知，坝0+160剖面和坝0+475剖面坝体内最大沉降量均发生在大坝约1/3高度位置。不同剖面的大、小主应力分布情况大致相同。坝体和坝基整体应力水平较低，坝体结构稳定。数值计算结果和实测沉降变形量吻合较好。

（2）实测坝体最大沉降变形发生在1/3坝高位置。坝0+475剖面的最大沉降量为0.55 m，覆盖层的变形为0.32 m，覆盖层的变形占坝体最大沉降变形的58%。河床深厚覆盖层产生的压缩变形对坝体沉降变形影响较大。后期施工和大坝运行过程中应对深厚覆盖层的变形加以關注。

（3）靠近坝轴线坝体沉降变形随填筑过程发展较快。高程1 680.0～1 736.0 m和高程1 736.0～1 752.0 m坝体填筑过程中沉降速度为2～3 cm/8 m和5～6 cm/8 m。此时，应综合考虑工期影响，适当放慢施工进度以控制变形量，对于面板的分期浇筑应适当预留一定沉降期。

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【责任编辑 吕艳梅】