面板堆石坝设计方案研究

混凝土面板堆石坝具有安全性、经济性以及地形条件适应性方面的突出优势，是水利工程建设领域的首选坝型。 文章以和尚沟水电站为例，通过有限元仿真计算，对两种不同的面板堆石坝设计形式进行对比分析，结果显示，镶嵌混凝土面板堆石坝的沉降幅度大幅减小，顺坡向应力和挠度均有显著改善，建议在大坝设计时采用。

1工程背景
拟建中的和尚沟水电站位于辽宁丹东凤城市石城镇境内的爱河上游干流上，是爱河梯级开发的重要规划工程，是一座以发电为主，兼具防洪和养殖等综合功能的小型径流式水电站。 赵家堡子水电站工程主要由面板堆石坝、溢流坝、引水系统和电站厂房构成，项目所在地区属于长白山系，区内山脉多南北走向，由于受到鸭绿江水系的强烈侵蚀作用，呈现出群峰耸立、山高谷深的地貌景观。 从地层岩性来看，基底埋藏较深，沉积盖层主要是泥盆纪、三叠纪至下第三系地层，主要由海相碳酸盐和浅海、滨海碎屑岩构成。 总体来看，项目区的地貌以高山峡谷地貌为主，辅以部分溶蚀地貌，为典型的峡谷性水库。 混凝土面板堆石坝在建设与运行过程中的动力特征是大坝设计中必须要考虑的问题[1]。 为了有效控制面板堆石坝的堆石体变形，提高其稳定性，对面板堆石坝的体型设计进行深入研究，探究不同体型堆石坝的应力变形规律，具有重要的理论和实践意义。

2有限元模型的构建
2.1计算方案。 针对和尚沟水电站的工程实际，拟定镶嵌面板堆石坝和普通面板堆石坝两种不同方案进行对比研究[2]。 其中，方案一为镶嵌面板堆石坝，设计坝高为150.0m，坝顶宽为10.0m，上游坝坡的坡比为1∶1.4，在大坝的上游坝踵部位设置高度为60.0m，顶宽10.0m的C25钢筋混凝土结构。 镶嵌混凝土面板的长度为130.77m，顶部和底部的最大计算厚度分别为0.4m和0.7m，面板采用标号C30混凝土浇筑； 方案二为普通面板堆石坝，混凝土面板的斜面长度为234.10m，底部最大计算厚度为0.85m，其余参数与方案一相同。 2.2计算模型。 利用设计的面板堆石坝的标准剖面进行ABAQUS有限元模型构建，以沿河方向为X轴，指向下游的方向为正方向； 以铅直方向为Y轴方向，以向上的方向为正方向[3]。 结合相关研究成果，模型的建模范围为大坝地基向上下游与深度方向各延伸1.0倍坝高[4]。 在模型建模范围确定之后，以平面三角形单元进行模型的网格划分[5]。 其中，方案一最终获得4123个计算单元，2346个计算节点； 方案二共得到3987个计算单元，2268个计算节点。 2.3计算参数。 研究过程中，对大坝堆石体所用的材料采用邓肯-张E-B非线性模型，其主要参数见表1[6]。 大坝其余部位的材料在模型计算中均按照线2019年第9期东北水利水电规划设计性材料处理，其中大坝面板与坝趾的混凝土参数依照工程设计取值，基岩参数依照同类工程经验取值，结果见表2[7]。 计算过程中，在坝体施工与蓄水期采取22级逐级加载的方式进行模拟计算，计算模型的大坝基岩底面设置固端约束，在模型的X轴方向设置简支处理，坝踵混凝土结构和基岩按照整体进行考虑[8]。

3计算结果分析
3.1方案一计算结果分析。 3.1.1竣工期计算结果分析。 利用上节构建的计算模型，对方案一竣工期条件下大坝的位移进行计算。 通过对计算结果的分析可知： 竣工期大坝在水平位移方面呈现出上游部分向上游平移，下游部分向下游平移的规律。 其中，上游向的水平位移最大值为2.88cm，位于约1/4坝高的坝体上游部位，而下游向的最大位移值是11.26cm，位于约1/3坝高的坝体下游部位。 从竖向位移来看，竣工期大坝坝体的竖向位移最大值为70.42cm，位于大坝中间约1/2坝高的部位。 对方案一条件下竣工期大坝的应力进行计算，由计算结果可知，大坝竣工期的最大和最小主应力均呈现出随高度的降低而逐渐增大的趋势。 其中，最大主应力全部表现为压应力，最大应力值为2.55MPa，位于大坝堆石体的底部； 最小主压应力为0.52MPa，位于大坝堆石体的底部，最小主拉应力值为0.07MPa，出现的部位是大坝下游面接近坝顶的位置。 3.1.2蓄水期计算结果分析。 利用计算模型，对方案一条件下蓄水期大坝的位移进行计算。 通过对计算结果的分析可知： 与竣工期不同，蓄水期大坝在水平位移方面均呈现出向下游平移的规律。 其水平位移最大值为27.43cm，位于约1/2坝高的坝体上游部位。 从竖向位移来看，蓄水期大坝坝体的竖向位移最大值为72.70cm，出现部位与竣工期相同，位于大坝中间约1/2坝高的部位。 对方案一蓄水期条件下大坝应力进行计算，由计算结果可知，大坝竣工期的最大和最小主应力均呈现出随高度的降低而逐渐增大的趋势。 其中，最大主应力全部表现为压应力，最大应力值为2.69MPa，位于大坝堆石体的底部； 最小主压应力为0.59MPa，位于大坝堆石体的底部，最小主拉应力值为0.39MPa，出现的部位是重盖区顶部。 3.1.3面板应力变形计算结果分析。 对方案一条件下大坝混凝土面板挠度与应力值进行模型计算，结果见图1。 由计算结果可知，面板的主应力表现为顺坡向应力，其中压应力最大值出现在面板斜长1/3的部位，为2.79MPa，最大拉应力出现在面板的底部，为0.11MPa； 混凝土面板的挠度为19.36cm，出现的部位是混凝土面板斜长的1/3处。 3.2方案二计算结果分析。 3.2.1竣工期计算结果分析。 利用的计算模型对方案二竣工期条件下大坝的位移进行计算。 通过对计算结果的分析可知： 竣工期大坝在水平位移方面呈现出上游部分向上游平移，下游部分向下游平移的规律。 其中，上游向的水平位移最大值为13.02cm，位于约1/3坝高的坝体上游部位，而下游向的最大位移值是10.01cm，位于约1/3坝高的坝体下游部位。 从竖向位移来看，竣工期大坝坝体的竖向位移最大值为83.62cm，位于大坝中间约1/2坝高的部位。 对方案二条件下竣工期大坝的应力进行计算，由计算结果可知，大坝竣工期的最大和最小主应力均呈现出随高度的降低而逐渐增大的趋势。 其中，最大主应力全部表现为压应力，最大应力值为2.51MPa，位于大坝堆石体的底部； 最小主压应力为0.51MPa，位于大坝堆石体的底部，最小主拉应力值为0.08MPa，出现的部位是大坝下游面接近坝顶的位置。 3.2.2蓄水期计算结果分析。 利用计算模型，对方案二条件下蓄水期大坝的位移进行计算。 通过对计算结果的分析可知： 与竣工期不同，蓄水期大坝在水平位移方面均呈现出向下游平移的规律。 其水平位移最大值为35.58cm，位于约1/2坝高的坝体上游部位。 从竖向位移来看，蓄水期大坝坝体的竖向位移最大值为74.76cm，出现部位与竣工期相同，位于大坝中间约1/2坝高的部位。 对方案二蓄水期条件下大坝应力进行计算，由计算结果可知，大坝竣工期的最大和最小主应力均呈现出随高度的降低而逐渐增大的趋势。 其中，最大主应力全部表现为压应力，最大应力值为2.69MPa，位于大坝堆石体的底部： 最小主压应力为0.55MPa，位于大坝堆石体的底部，最小主拉应力值为0.30MPa，出现的部位是重盖区顶部。 3.2.3面板应力变形计算结果分析。 对方案一条件下大坝混凝土面板挠度与应力值进行模型计算，结果见图2。 由计算结果可知，面板的主应力表现为顺坡向应力，其中压应力最大值出现在面板斜长2/3的部位，为6.24MPa，最大拉应力出现在面板的底部，为3.51MPa： 混凝土面板的挠度为38.26cm，出现的部位是混凝土面板斜长的1/2处。

4方案的对比与选择
对两种不同设计方案下的面板堆石坝的应力变形结果进行统计，结果如表3所示。 由表中的结果可知，两种方案相比，无论是竣工期和蓄水期，大坝主应力的计算结果比较接近，但是在方案一的条件下，大坝的沉降幅度大幅减小。 对面板应力变形的计算结果进行统计分析，结果如表4所示。 采用方案一，也就是镶嵌混凝土面板堆石坝坝型时，大坝面板的顺坡向应力和挠度均有显著改善。 结合上述分析，建议在大坝设计时采用镶嵌混凝土堆石坝。
5结语
混凝土面板堆石坝以其安全性、经济性以及地形条件适应性方面的突出优势，成为当前水利工程建设领域的首选坝型。 对混凝土堆石坝而言，现有的动力计算方法虽然可以对静力反应特征进行准确反应，但是针对不同结构形式的堆石坝的静力反应规律研究仍不完善。 文章以辽宁省丹东爱河干流上拟建的和尚沟水电站为例，设计了常规面板堆石坝和镶嵌混凝土面板堆石坝两种坝型，通过有限元仿真计算，对两种坝型进行对比分析，结果显示，镶嵌混凝土面板堆石坝面板的大坝的沉降幅度大幅减小，顺坡向应力和挠度均有显著改善，建议在大坝设计时采用镶嵌混凝土堆石坝。 同时本文研究结论也显示，镶嵌混凝土面板堆石坝在施工期和蓄水期具有较高的整体稳定性和安全性，具有良好的工程应用价值，对水利工程中的面板堆石坝设计建设具有一定的参考价值。