水布垭面板堆石坝施工与运行性状反演研究

筑坝材料进行了现场大型承载试验，朱 晟等[10]对
原级配堆石料的力学性质进行了研究，认为原级配
堆石料与经缩尺后的室内试验试样的力学特性有较
大差异，其中原级配堆石料具有更高的切线弹性模
量和更大的体积变形，且随着周围压力和轴向应力
的增加，这种趋势更加明显。表 1 为反演分析得到
的灰岩堆石料的 E-B 模型参数。
1引言
水布垭水电站位于湖北省清江中游河段恩施州 巴东县境内，是国家“十五”重点建设项目，水库 正常蓄水位 400 m 高程，总库容 4.58×109 m3，为多 年调节水库。枢纽于 2002 年 10 月进行大江截流开 工；水库 2006 年 10 月开始蓄水，首台机组 2007
年 7 月开始发电。大坝建成运行后，实测坝后渗流 量一般为 20～30 L/s，最大值为 40.1 L/s。
收稿日期：2010–06–11；修回日期：2010–08–19 作者简介：朱 晟(1965–)，男，博士，1988 年毕业于河海大学水工专业，现任教授、博士生导师，主要从事土石坝等水工岩土与环境岩土方面的教 学与研究工作。E-mail：szhu@
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岩石力学与工程学报
面板坝建设成功与否的关键在于支撑面板的堆 石体的变形控制，准确预测堆石体的变形是保证防 渗面板结构安全的基础。目前，关于面板坝变形计 算主要以室内试验成果为依据；但设计阶段利用室 内大型三轴试验手段研究筑坝材料的本构模型参 数，允许试样的最大粒径一般为 5～6 cm，而筑坝 原级配堆石料或天然砂砾料，其最大粒径一般控制 在 80 cm 左右，对坝料进行室内试验研究，必须进 行缩尺；由于不规则颗粒构成的堆石试样缩尺引起 的尺寸效应以及堆石颗粒破碎机制的差异，使得室 内三轴试验成果难以合理反映原级配粗粒料的力学 特性。为此，高莲士等[3-4]结合天生桥大坝的原型实 测资料和三板溪的现场大型压缩试验资料对堆石料 的 K-G 模型参数进行了反演分析；朱 晟等[5]也结合 公伯峡、水布垭的现场原级配堆石料大型承载试验 资料，对堆石料的邓肯 E-B 模型参数进行了反演研 究。由于堆石流变对面板坝的结构安全有重要的影 响，沈珠江等[6-8]参考室内三轴试验结果确定堆石的 本构模型参数，结合大坝原型实测变形资料反演了 堆石的全量型流变模型参数。
全的，我国 200 m 级面板坝的筑坝技术已日趋成熟。但是，由于水荷载作用下面板下卧堆石应力增长，使得蓄水
运行期大坝上游堆石区的流变增加更为明显，导致面板出现挤压现象，需要引起重视。
关键词：水利工程；面板堆石坝；变形控制；面板脱空；挤压破坏；反演分析
中图分类号：TV 641
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2011)增 2–3689–07
除自重荷载有影响的测点后，即认为此时间段为这
些测点的相对停工段，沉降主要来自流变。利用免
疫遗传算法对堆石料的流变参数进行反演分析，得 到的参数见表 2[14]。
表 2 增量流变模型反演参数[14]
Table 2 Incremental rheological model parameters back analysis[14]
表 1 灰岩堆石料的 E-B 模型参数 Table 1 E-B model parameters of limestone rockfill
分类 编号
01 0.785 1 161 0.260
606
0.09
m02 0.770 1 231 0.296 636 0.15
栖霞组 q01 0.760 1 099 0.348
BACK ANALYSIS ON CONSTRUCTION AND OPERATION PROPERTIES OF SHUIBUYA CONCRETE FACE ROCKFILL DAM
ZHU Sheng1，2 (1. State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，
2011 年
底部高程 405 m。 拦河面板坝最大坝高 233 m，是目前世界上已
建成的同类坝型中的最高坝。在设计阶段，曾结合 国家“九五”科技攻关项目《200 m 级面板坝筑坝 关键技术研究》，对大坝的变形与应力进行了系统而 深入的研究[1]，研究成果为大坝的成功建设提供了 科学的理论依据。
大坝从施工到运行阶段进行了全面的安全监 控，从已有的资料来看，部分原型实测数据与前期 研究成果差异较大，如设计阶段大坝最大计算沉降 为 1.2～1.8 m[2]，而实际监测值已经接近 2.5 m。
材料
ks
ns
kv
nv
主堆石 8 192 0.25 1 950 0.16
RSf
c
α
0.85 0.008 5 0.73
次堆石 6 300 0.30 1 110 0.21 0.85 0.008 2 0.73
反演分析时，对 295～365 m 高程范围的次堆石 IIIC 区，利用溢洪道引水渠开挖的比重较小、有机 质含量较高的龙潭组第 II 段泥质灰岩料，与栖霞组 灰岩料进行互层填筑。虽然现场填筑干密度等指标 满足设计要求，但是该区域实测变形偏大，与该区 域的力学参数偏低有关。为此，参考室内试验结果 与现场监测资料，通过比较分析，将该区域的邓肯 模型参数 Rf，K，n，Kb 和 m 分别调整为 0.77，630， 0.35，320，－0.05。 2.3 堆石体变形与应力反演结果
直线，邓肯 E-B 模型能较好地反映这些特点。考虑 到水库蓄水荷载作用下，大部分堆石单元处于卸荷 状态，采用回弹模量计算单元的泊松比，可以近似 反映蓄水荷载对堆石体变形与应力的影响，且面板 坝绝大部分区域的实际剪应力水平较低，水库蓄水 后堆石体的应力水平进一步减小，围压与体积变形 之间更接近模型的线性假定，采用邓肯 E-B 模型计 算堆石体的变形与应力，具有较好的精度。其切线 弹性模量和体积模量[9]分别为
incremental rheological model parameters of rockfill back-analysis are decided by immune genetic algorithm method；the panel cavity phenomenon at construction period and the behavior of the dam at the beginning of water storage run-time were verified；the calculated results of the dam′s long-running characteristics are indicated that the dam is safe，and 200 m-grade CFRD construction technology has more and more matured. However，it paid
China；2. Institude of Hydraulic Structures，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China)
Abstract：According to the rockfill large-scale field test results，as well as Shuibuya concrete face rockfill dam′s deformation monitoring data during the construction and water storage period，Duncan E-B model parameters and
传现象。计算采用适合于面板坝增量分析的流变模
型[13]，在 n 级应力增量作用下( Δσi 作用时刻为 ζ i )， 则当 t＞ζ n 时，大坝的累积体积流变 εv (t) 和剪切流 变量 εs (t) 为
∑ εv (t)
=
n i =1
Δσ vi [1 − e−（c t −ζi）α Ki
]
(3)
第 30 卷 增 2
朱 晟：水布垭面板堆石坝施工与运行性状反演研究
• 3691 •
∑ εs (t)
=
n i =1
Δσ si [1 − e−c(t−ζi )α 3Gi
]
(4)
式中：c，α 均为模型参数。
其中，切线流变体积模量 K 和流变剪切模量 G
分别为
K
=
kv Pa
⎛ ⎜ ⎝
σ3 pa
⎞nv ⎟ ⎠
(5)
G
=
ks Pa
⎛ ⎜ ⎝
σ3 pa
⎞ns ⎟ ⎠
(1 −
RSf
S )2
(6)
式中：S 为应力水平； RSf ， ks ， ns ， kv ， nv 均为 模型参数，根据原型大坝实测流变资料反演确定。
由于水布垭大坝建设期间基本没有停工期，选
取大坝填筑的相对停工期如 20050620～20050820 时段，只有上游堆石区进行了 319.0～333.5 m 高程 小范围堆石的填筑，结合该时段瞬时变形分析，剔
attention to the panel extrusion phenomenon because the rheological value in dam′s upstream rockfill zone increased more evidently due to water pressure. Key words：hydraulic engineering；concrete face rockfill dam(CFRD)；deformation control；panel cavity； extrusion damage；back analysis