堆石预沉降时间对高面板堆石坝面板变形的影响

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1、http://www.paper.edu.cn堆石预沉降时间对高面板堆石坝面板变形的影响熊翰文河海大学水电学院，南京（210098）E-mail：xhw8877895@163.com摘要：本文参考以往工程实例，设计200m高的模型坝；对模型坝进行有限元计算，并采用指数型衰减模型来数值模拟堆石体的流变变形；分析了堆石流变变形对高面板堆石坝面板及坝顶关键部位的影响；验证了设置堆石预沉降时间对高面板堆石坝的必要性。关键词：高面板堆石坝；流变变形；堆石预沉降时间；面板变形中图分类号：TV641.4+30.引言[1]1971年在澳大利亚建成的Cethana坝（110m）

2、，开启了现代面板堆石坝的新时代。随后的几十年来，面板堆石坝这种安全经济，对地形、地质等自然条件拥有广泛适应性的坝型，得到了迅速的发展。随着面板堆石坝的坝高不断增高，堆石体的流变变形对坝体变形，特别是对面板变形产生极大的影响。我国1999年竣工的天生桥一级电站面板堆石坝（178m），三期面板与垫层间发生的大范围脱空就是由于堆石体过大的流变变形（或称徐变变形）直接[1]引起的。随着人们对堆石体流变特性认识的不断深入和对天生桥一级电站等出现结构性裂缝的高面板坝的经验总结，有专家提出通过在面板浇筑前设置堆石预沉降时间来预防面板出现结构性裂缝。该条工程措施得到了工程界的

3、广泛认同，在随后建设的高面板堆石坝中普遍都设置了堆石预沉降时间。贵州三板溪水电站混凝土面板堆石坝（185.5m）,设置不小于5[2]个月的堆石预沉降时间。贵州洪家渡水电站混凝土面板堆石坝（179.5m），设置不少于3[3]个月的堆石预沉降时间。湖北清江水布垭混凝土面板堆石坝（233m），设计面板浇筑滞后[4]同高程坝体填筑6-10个月。本文采用指数型衰减模型来数值模拟堆石体的流变变形，具体分析了堆石流变变形对高面板堆石坝面板变形的影响，并验证了设置堆石预沉降时间对高面板堆石坝的必要性。1.计算模型坝设计1.1计算模型与参数本文计算中，混凝土面板采用线弹性模型，

4、堆石料采用目前在工程界广泛应用的邓肯E-B模型，混凝土面板与垫层之间设置无厚度接触面单元，堆石料的流变模型采用沈珠江提[5]出的流变指数型衰减模型。该模型中堆石体变形可表示为：−αtε(t)=ε+ε=ε+ε(1−e)（1）itif式中：εi表示瞬时应变；εt表示流变量；t表示时间。将应变张量分解为体应变和偏应变两部分，并对式（1）求导可得：⎡ε⎤⎡γ⎤vttεv'=αεf⎢1−⎥；γ'=αγf⎢1−⎥（2）⎢⎣εvf⎥⎦⎢⎣γf⎥⎦其中εvf表示最终体积流变；γf表示最终剪切流变，并假设它们分别与围压σ3和应力s水平l有关：-1-http://www.pape

5、r.edu.cn⎡σ⎤s3lε=b；γ=d（3）vf⎢⎥fp1−s⎣a⎦l在应变主轴与应力主轴重合的情况下，应变率张量为：1{}S{}ε'=ε'I+γ'（4）v3σs{}Sσs式中：表示偏应力张量；表示广义剪应力。具体计算时，流变按初应变考虑，将各级荷载增量持续时间划分为若干时段，在时段∆t内初应变结合（4）式为：1{S}{}∆ε=ε'∆tI+γ'∆t（5）v3σs式（2）和式（3）中的εvt、γt则表示流变体应变和剪应变的累加值：εvt=∑εv'∆t；γt=∑γ'∆t（6）流变模型参数α、b、d和m由堆石体的实测变形资料反馈分析得到。天生桥一级电站面板堆石坝

6、发生结构性裂缝后，受到工程界广泛的关注。各方专家对筑坝材料的性质进行了大量的实验研究，有丰富的筑坝材料参数。清华大学岩土所和南京水科院土工所等单位的专家，还根据坝体变形的实测结果，对坝体堆石料参数进行了反馈分析。本文模型坝的邓肯E-B模型材料参数采用天生桥一级电站面板堆石坝的材料参数（见表1），堆石体流变参数引用南京水科院反馈分析所得到的天生桥一级堆石料流变参数反馈值（见表[5]32）。混凝土面板弹性模量E取值为28GPa，泊松比υ取值为0.167，重度为25.0kN/m.表1天生桥一级面板堆石坝邓肯E-B模型参数Tab.1DuncanE-Bmodelpara

7、metersoftheTianshengqiao-ΙCFRD干密度φφ0材料编号3KnRfKbm/(g/cm)/(°)/(°)IIA垫层料2.2050.67.010500.350.714800.24IIIA过渡料2.1052.58.09700.360.764400.19IIIB主堆石2.1054.013.09400.350.853400.18表2天生桥一级面板堆石坝堆石料流变参数反馈值[5]Tab.2CreepparametersoftheTianshengqiao-ΙCFRD材料编号αbdmIIIB主堆石0.00550.00120.00210.68注：由于垫

8、层料和过渡料所占体积相对较小，认为它们