江坪河面板堆石坝垫层区采用翻模固坡技术数值模拟

西北水电・２０１　１年・第４期　文章编号：１００６－－２６１０（２０１１）０４—００８８—ｏ４　江坪河面板堆石坝垫层区　采用翻模固坡技术数值模拟　张岩　（国电大渡河流域水电开发有限公司，成都摘６１００４１）　要：由于工期紧、施工质量要求高，江坪河水电站面板堆石坝垫层区拟采用翻模固坡技术。在正式施工之前，对　面板堆石坝进行数值模拟计算，预测堆石坝体在不同分期条件下的变形和应力，从而预留出合理的变形值，能够减少　面板的开裂、脱空。　关键词：江坪河水电站；面板堆石坝；翻模固坡；数值模拟　中图分类号：ＴＶ５２　文献标识码：Ａ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｒｎｅｄ——ｏｖｅｒ　ｆｏｒｍｗｏｒｋ　ｓｌｏｐｅ——ｆｉｘｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｆａｃｅｄ　ｒｏｃｋｆｉｌｌ　ｄａｍ　ｃｕｓｈｉｏｎ　ｚｏｎｅ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｐｉｎｇｈｅ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ　（Ｓｔａｔｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄａｄｕ　Ｈｙｄｍｐｏｗｅｒ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００４１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｉｇｈｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉ【ｇｈ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｒｏｎ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｒｉｓｅ　ｔｕｒｎｅｄ—ｏｖｅｒ　ｆｏｒｍｗｏｒｋ　ｓｌｏｐｅ　—ｉｆｘｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆａｃｅｄ　ｒｏｃｋｆｉｌｌ　ｄａｍ　ｃｕｓｈｉｏｎ　ｚｏｎｅ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｐｉｎｇｈｅ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｐｒｏｊｅｅｔ．Ｂｅｆｏｒｅ　ｆｏｒｍａｌ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕ—　ｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆａｃｅｄ　ｒｏｅｋｆｉｌｌ　ｄａｍ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｄａｍ　ｂｏｄｙ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔａｇｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，　ｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒａｔａｉｏｎａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｆａｃｅ　ｃｒａｃｋｓ　ａｎｄ　ｖｏｉｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｊｉａｎｇｐｉｎｇｈｅ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｐｒｏｊｅｃｔ；ｆａｃｅｄ　ｒｏｃｋｆｉｌｌ　ｄａｍ；ｓｌｏｐｅ—ｆｉｘｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｕｒｎｅｄ—ｏｖｅｒ　ｆｏｒｍｗｏｒｋ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　１　Ｔ程概况　江坪河混凝土面板堆石坝　Ｊ，坝顶高程为　４７６．Ｏ０　ｍ，坝顶宽１０．０　ｍ，坝顶长度为４１４．Ｏ０　ｍ，最　大坝高２２１．００　ｍ。坝顶上游设置Ｌ形防浪墙，防浪　墙顶高程４７７．２０ｍ，下游设混凝土挡墙，大坝上游坡　比为１：１．４，下游综合坡比为１：１．４，局部坡比１　：１．３６，设置４级马道，马道宽２　ｍ。　根据技术要求，以上每一区的临时边坡最大高差不　大于５５．０　ｍ。坝上游压碴填筑区命名为Ⅱ区，根据　面板浇筑分区，Ⅱ区分为２个小区，命名为Ⅱ一１，Ⅱ　一２。其中Ⅱ一１区填筑顶高程为３２０．０　ｍ，１Ｉ一２　区填筑顶高程为３８０．０　ｍ。坝下游面量水堰压碴填　筑区命名为Ⅲ区。　２垫层区采用翻模固坡新技术　高面板堆石坝的设计理念要求其具有足够的变　坝体填筑分期规划　如图１所示，坝体填筑部　分命名为Ｉ区，含垫层料、小区料、过渡料、上下游堆　石料、坝后护坡等施工，Ｉ区相应分为１Ｏ小区，自下　而上分别命名为Ｉ一１，Ｉ一２，…，Ｉ一９，Ｉ一１０。　收稿日期：２０１１　ＪＤ４　作者简介：张岩（１９８１一），男，辽宁省义县人，硕士研究生，助理　工程师，主要从事水电工程施工技术与管理工作．　形模量，后期变形小，能为面板提供有力支撑；同时　要求其具有较小的渗透系数，在面板开裂以后能起　到第２道防线的作用，控制渗透水流。垫层区紧帖　上游面板，其施工质量直接影响着面板的应力和变　形，所以，设计中对垫层料的施工质量提出了更高的　要求。为了解决垫层区上游坡面的施工质量，提高　工程进度，有必要对现有的施工方法进行革新。　西北水电・２０１０年・第４期　８９　翻模施工工艺　是在借鉴火电厂翻模施工、　紧张，为了缩短工期、保证面板施工质量，借鉴双沟　面板堆石坝垫层料上游坡面砂浆固坡的经验，在　２００８年确定上游坡面采用砂浆固坡的施工工艺。　图２为翻模模板安装过程，翻模施工后面板堆石坝　上游坡面如图３所示，表明平整度较好，免去了后期　碾压混凝土施工技术、土质边坡加固技术等的基础　上，采用工程力学、岩土力学的理论进行计算，提出　翻模施工工艺。经过现场试验取得了大量的检测和　观测结果，２００６年首次在吉林双沟面板堆石坝工程　中应用。辽宁蒲石河抽水蓄能电站面板堆石坝工期　处理的程序，施工工艺比较简单。　图１填筑分期规划图　单位：ｍ　的状态。　（２）模板为适应垫层料施工的自制钢模板，上　下２层模板通过角钢连接，能够互相传递力的作用，　整体性得到较大提高；模板与主要受力结构角钢之　间利用螺栓连接，随意可调整模板的位置。　（３）模板随堆石体填筑高度的上升而逐渐上　升，节约模板用量。　图２翻模模板安装现场照片　３施工期堆石体应力变形分布的数值　模拟　根据江坪河面板堆石坝的工程条件及对垫层区　固坡技术进行对比分析，拟采用翻模砂浆固坡施工　技术。由于翻模固坡技术以往都是应用于１００　ｍ级　面板堆石坝，此项技术能否应用于２００　ｍ级高坝，在　工程正式施工之前，需要进行仔细研究。　大量碾压试验和监测资料均表明，堆石体在外　图３翻模施工后堆石坝上游坡面照片　力和自重荷载作用下，能够很快达到密实状态，变形　翻模固坡施工技术原理：　在施工初期基本完成。既然堆石体在填筑施工过程　（１）利用已填筑层和固坡胶凝材料的承载能力　中能够很快密实，后期变形基本可以忽略，那么利用　固定模板。模板靠锚固于下层堆石体的拉筋固定，　不同施工阶段堆石体特别是垫层区的应力变形分　在模板与垫层料之间留出一定的宽度灌注砂浆。在　布，通过施工放样确定模板位置，修正设计上游坡　进行碾压施工时，利用振动碾的挤压和冲击作用及　线，预留垫层料的变形值，可以减少固坡砂浆与垫层　模板对砂浆的压力，使垫层区和砂浆同时达到密实　料之间的脱空，增加上游坡面的平整度。因此，研究　９Ｏ　张岩．江坪河面板堆石坝垫层区采用翻模固坡技术数值模拟　堆石体在不同分期工况下的应力变形分布情况，对　优化设计及指导后期施工具有重要意义。　３．１有限元模型　仿真计算采用中点增量法　，将荷载分成若干级　（１）　（２）　增量，对每级荷载增量做２次有限元计算，取：　Ｅ。＝０．２５Ｅｏ＋０．７５Ｅ　ｉｘ　＝０．２５１２０＋０．７５１２　利用有限元软件ＡＮＳＹＳ的结构非线性对面板　堆石坝的施工过程进行模拟，可以达到预期的目的。　面板堆石坝是采用分期施工，不同施工阶段采用分　层碾压，为模拟堆石体在不同分期工况下的真实应　式中：　，　分别为初始弹模和泊松比；Ｅ，　分别为　各填筑层的弹模和？白松比。根据邓肯Ｅ—Ｂ模型的　原理和分析方法，在ＡＮＳＹＳ软件中实现邓肯模型的　力变形性态，建立有限元模型时考虑实际分期施工　的程序。有限元模型如图４所示。　二次开发。　表１邓肯Ｅ—Ｂ模型材料参数表　嘶　ｋ６　ｍ　％　主堆石　２．１５　０．８２　６００　０．１　５２　８．５　次堆石　２．１５　Ｏ．８　４００　０．０５　５０　８．４　下游堆石　２．１５　Ｏ．８２　６ｏ０　０．１　５２　８．５　垫层料　２．２０　０．７１　７５０　０．２　５６　１Ｏ．５　过渡料　２．１８　０．１５　４５０　０．１５　５４　８．６　图４考虑实际施工程序的面板堆石坝有限元模型图　３．２筑坝材料的模型及参数　４竣工期堆石体的变形及应力分布　邓肯Ｅ—Ｂ模型参数确定有比较成熟的经验，　４．１竣工期堆石体的变形　简单方便，所以计算时堆石体本构模型采用Ｅ—Ｂ　竣工期水平位移如图５所示，基本呈对称分布，４　４　●模型。模型的计算参数见表１。　上游区最大水平５９．６　ｃｍ，下游区最大水平位移　３７．７　ｃｍ。最大水平位移发生在１／３　一㈣啪㈣　坝高附近。　沉降如图６所示，从图中可以　一　㈣娜砌姗　看出沉降的方向向下，在断面上的　ｎ　一ｍ　ｎ　ｍ　０　分布基本对称，沉降最大值出现在　河谷断面中轴线的１／２坝高处附　近，从最大值向四周逐渐减小。竣　工期最大沉降量为９７．６　ｃｍ，约占　图５竣工期水平位移等值线图　单位：ｍ　坝高的０．４４６％。　４．２竣工期堆石体的应力　竣工期大主应力见图７，从图７　中可以看出坝体不存在拉应力区，　大主应力最大值为３．５２　ＭＰａ，大主　应力最小值为０．０２　ＭＰａ，主应力等　值线与坝坡平行，从坝顶至坝基主　应力值逐渐增加，到坝基达到最大　图６竣工期沉降等值线图　单位：ｍ　值。　３．３计算原理及方法　竣工期小主应力见图８，从图　采用通用有限元软件ＡＮＳＹＳ对面板堆石坝进　中可以看出坝体小主应力最大值为１．０２　ＭＰａ，小主　行非线性分析，但ＡＮＳＹＳ自带的本构模型当中没有　应力最小值为０．０４　ＭＰａ，主应力等值线与坝坡平　邓肯Ｅ—Ｂ模型，本文通过ＡＰＤＬ语言对ＡＮＳＹＳ进　行，从坝顶至坝基主应力值逐渐增加，到坝基达到最　行二次开发，实现了邓肯Ｅ—Ｂ模型的成功调用。　大值。上下游边坡表面出现小范围的拉应力区，但　篡器　●西北水电・２０１０年・第４期　９１　数值都不超过１　ＭＰａ，不会出现异常情况。　坝体上游的填筑时间早、方量大，有足够的预沉　・，Ｉ■ｌ　—　・¨ｌ雌｜茸—，　・蝴　＿ｔｊ—‘Ｉ置■Ｉ　降时间，后期变形较小；下游坝体　预沉降时间短、填筑方量小，后期　将产生较大变形，整个坝体有“后　仰”的趋势。　・Ｉ＿－　●　＾ｊ■　毫●　Ｉ—■托　—ｒ　‘潮　ｎ髓‘托—，　．＾●■＊　■Ｉ　．‘■啉ＸＩ，　囊曩ｔ　—‘　＾ｎｎ墨　ｌ，　—■＿　Ｉ，　毒棚■■　—，　ｌ‘ＢＩ鼍●ｒ　．６　总结　１　哪　■，　江坪河高面板堆石坝上游垫　层区由于采用了翻模固坡施工工　图７竣工期大主应力等值线图　单位：　艺，通过不同分期条件下数值计算　＾，岬‘Ｉ巍婚　●矾■　结果特别是上游垫层区的变形，预　＾蚺掣ｌ置■　＾　熏　留施工期的变形值，可减少固坡砂　．＊Ｉｌ‘ｌ‘置■　．ｋ　Ｉ●－　Ｉ．Ｉ　浆与垫层区之间的脱空，而且上游　・Ｒ　毒—　Ｔｌ越■鼍ｌ‘　－ｈ　■●越■－　坡面平整度较高；在上游坡面形成　洲≮ＩＩ．　｛●　册ｔ■‘　一层由干贫砂浆组成的保护层，与　＾■■戡　＾　愀■　啊　■Ｐ　防渗面板之间相互作用，结构上起　，－ｔ女●嘎■　＾Ｈ■脯　●　到了双层面板　的作用，可以减小　图８竣工期小主应力等值线图　单位：ｋＰａ　对面板的约束，从而减小了应力梯　度，与挤压边墙和斜坡碾压固坡技　５　不同分期条件下堆石体变形、应力　术相比具有极大的优越Ｉ生，在实践中应该推广。　结果比较分析　参考文献：　不同分期工况条件下坝体应力变形特性见表　［１］朱岳明，贺金仁，章恒全，欧红光．江坪河高面板堆石坝三维非　２。　线性结构有限元分析［Ｊ］．水力发电，２００３，１（２９）：２８．　表２不同分期条件下坝体的变形、应力最大值表　［２］　张发瑜．江坪河面板堆石坝施工系统仿真与优化研究［Ｄ］．天　津：天津大学硕士学位论文，２００６．　［３］蒋国澄，赵增凯．中国混凝土面板堆石坝的近期进展［Ｊ］．贵州　水力发电，２００４，（５）：ｌ一４．　［４］　杨泽艳．３００　ｍ级高面板堆石坝适应性及对策研究简介　［Ｃ］．／／中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会２００７年　学术年会暨高面板技术研讨会．北京：中国水力发电工程学水　文泥沙专业委员会，２００７．　［５］顾淦臣，束一鸣，沈长松．土石坝工程经验与创新［Ｍ］．北京：　通过表中数据可以看出，随着坝体填筑高度的　中国电力出版社，２００４：２４５—２５５．　增加，坝体沉降、水平位移、应力最大值均有相应的　［６］姜弘道，赵光恒，向大润，等．水工结构工程与岩土工程的现代　增加。二期填筑在上游面形成了临时挡水断面，坝　计算方法及程序［Ｍ］．南京：河海大学出版社，１９９２：２７７—　体填筑速度较快，后期会产生较大的变形；三期填筑　２７９．　集中在坝体下游，不会对上游坡面产生明显变形；四　［７］岑威钧，朱岳明，罗平平．面板堆石坝有限元仿真计算及参数　期填筑为全断面均衡上升，是理想的填筑方式；五期　敏感性研究［Ｊ］．水利水电科技进展，２００５，２５（４）：１６—１８．　填筑在上游坝体形成４０　ｍ的临时断面，后期会产生　【８］　牟声远，王正中，刘军，南洪．混凝土面板堆石坝双层面板抗裂　较大变形；六期，七期填筑集中在坝体下游，应预留　技术探讨［Ｊ］．水力发电，２００８，１（３４）：３５—３８．　足够的沉降期；八期大坝封顶。