深覆盖层上面板堆石坝应力变形特性研究

墙的应力、变形特性以及其各种影响因素；徐泽平 等[7]运用有限元方法和离心模型试验方法对覆盖层 上面板堆石坝展开相应的研究；温续余等[8]分析了 峡谷地区深覆盖层上面板坝及防渗结构的应力、变 形特性。 有限元方法常常被用来分析土石坝的应力、 变形[9]。然而由于尺缩效应等因素，试验获得的计 算参数往往和实际参数有较大出入，导致数值计算 结果有一定误差。因此，为了更好地分析面板堆石 坝的应力、变形特性，实测资料分析[10]和离心模型 试验[7]也较多被采用。本文结合实测资料和数值计 算，分析深厚覆盖层上面板堆石坝在各个阶段的应 力、变形特性。实测资料覆盖蓄水以前的整个施工 阶段， 将其与数值计算结果进行比较， 在此基础上， 运用数值模型分析坝体分期填筑和筑坝速度对坝体 和防渗结构应力、变形的影响。
第 36 卷第 8 期 2015 年 8 月
DOI： 10.16285/j.rsm.2015.08.035
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.36 No.8 Aug. 2015
深覆盖层上面板堆石坝应力变形特性研究
温立峰 1，柴军瑞 1, 2，王 晓1
（1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048；2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）
第8期
温立峰等：深覆盖层上面板堆石坝应力变形特性研究
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基中的防渗墙组成主要的防渗系统，结构中有任何 裂缝都将弱化防渗系统甚至威胁大坝安全[34]。 堆石 体和防渗结构的应力、变形以及各防渗结构间的接 缝变形是覆盖层上面板堆石坝面临的主要问题。防 渗结构的变形主要受坝体和地基较大变形的影响。 覆盖层的存在将引起较大的坝体变形，对防渗结构 的应力、变形有显著的影响。为了减小这些潜在风 险，有必要对坝体和各防渗结构的应力、变形特性 进行分析。郦能惠等
摘 要：结合实测资料和有限元方法分析建于深覆盖层地基上面板堆石坝的应力ຫໍສະໝຸດ Baidu变形特性。数值计算中采用邓肯-张 E-B 模型模拟覆盖层地基和坝体的应力、变形行为，同时采用无厚度接触面模拟面板和坝体以及防渗墙和地基之间的相互作用。 整理和分析工程实测资料并与数值计算结果进行对比分析， 重点分析坝体和防渗结构的力学行为以及面板堆石坝和地基之间 的相互作用。比较分析表明，大坝最大沉降和压应力分别发生在坝体底部和覆盖层中，覆盖层对坝体及防渗结构的应力、变 形特性具有显著影响，应力、变形实测值与数值计算结果吻合较好，说明数值计算结果的有效性。在此基础上，分析了覆盖 层上面板堆石坝分期填筑和筑坝速度对坝体和防渗结构应力变形的影响。结果表明，分期填筑引起坝体较大不均匀沉降和复 杂的应力状态，但一定程度上可以改善防渗墙的应力变形特性；较快的坝体填筑速度容易引起坝体较大的前期应力和后期沉 降，不利坝体的施工和运行。 关 键 词：面板堆石坝；应力变形；监测；有限元分析；覆盖层 中图分类号：TV 311 文献识别码：A 文章编号：1000－7598 (2015) 08－2386－09
Stress-deformation behavior of a concrete-faced rockfill dam with a deep overburden foundation
WEN Li-feng1, CHAI Jun-rui1, 2, WANG Xiao1
(1. State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area, Xi’an University of Technology, Xi’an, Shaanxi 710048, China; 2. College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China)
Abstract: Stress-deformation behaviour of a concrete-faced rockfill dam (CFRD) built on sand and gravel foundation is studied based on the in situ monitoring results and finite element analysis (FEA). The mechanical behaviour of the dam body and its impervious structures is investigated and the interaction between the CFRD and the overburden foundation is analyzed. Three-dimensional FEA is performed, with introducing the Duncan-Chang E-B model for gravel and rockfill and the Lagrange method for the interface, to evaluate the stress-deformation behaviour of the CFRD at the construction and filling stages of the reservoir. Comparative analysis shows that the maximum settlement occurred at the bottom height of the dam instead of the middle height and the maximum compressive stress distributed in the overburden. The overburden foundation has a significant effect on the stress-deformation behaviour of the dam body and impervious structures. The stress and deformation values computed using the FEA model are found to be consistent with the measured data for the construction stage. Numerical simulation is used to analyze the different factors influencing the behaviour of the dam body and cut-off wall. The results show that the staged-filling of the dam body will cause uneven deformation and stress concentration in the dam body, but can improve the stress and deformation behaviour of the cut-off wall to some extent; and the rapid dam construction rate results in a larger prestage stress and post-construction settlement which is not conducive to the construction and operation of the dam. Keywords: concrete-faced rockfill dam; stress-deformation behavior; monitoring; finite element analysis; overburden
650.00
详细分析了覆盖层中防渗
正常蓄水位 805.00 m 800.00 m 阶段-II 面板, EL.805 m 2011.2 时间步: 30 780.00 m 2011.3～2011.5 IV 2010.11～2010.12 时间步: 31～35 时间步: 25～28 阶段-I 面板, EL.770 m 740.00 m 2011.1 时间步: 29 II 2010.4～2010.7 III 2010.8～2010.10 时间步: 17～24 时间步: 9～16 I 2009.10～2010.3 时间步: 1～8 (b) 大坝填筑规划 700.00 m
Fig.1
图 1 大坝典型剖面和填筑规划 Typical section and construction process of CFRD
个详细的监测系统。变形监测系统主要监测坝体的 沉降和纵向变形以及防渗墙的顺河向变形。坝体的 沉降主要通过电磁式沉降管和水管式沉降仪进行测 量。电磁沉降管分布在 0+192 大坝最大横剖面，包 含 45 个测点分布在 3 条垂直测线上， 如图 2(a)所示。 其 中 测 点 ES1-1 ～ ES1-3 、 ES2-1 ～ ES2-4 以 及 ES3-1～ES3-4 均位于覆盖层中。 沉降仪包含 8 条测 线（TC1～TC8）分别分布在 0+63、0+135、0+194 以及 0+254 四个重要横剖面上，其中 0+63 剖面布 置 1 条，高程为 715 m；0+135 剖面布置 2 条，高 程分别为 715 m 和 740 m；0+194 剖面布置 3 条， 高程分别为 715、 740、 768.5 m， 如图 2(a)所示； 0+254 剖面布置 2 条，高程分别为 715 m 和 740 m。两岸 坝体的纵向变形由位移计测量，总共有 4 条测线， 分布在坝轴线断面，其中 2 条（ID1～ID2）分布在 左岸，高程分别为 791 m 和 796 m，另外 2 条 （ID3～ID4）分布在右岸相应的高程。坝基和坝体 的水平位移由水平位移计测量，包含 4 条测线 22 个测点，分布在 0+194 剖面，如图 2(b)所示。防渗 墙顶的位移由测斜计测量。坝体内的应力由土压力 计测量，分布在 0+199 断面，包含 32 个测量计分 布在 4 条测线上，对应高程分别为 703.5、715、 740、768.5 m。压力计主要监测水平、垂直和与水 平方向成 45°方向的应力。土压力计的分布如图 2(b)所示。
收稿日期：2014-03-07 基金项目： 陕西省重点科技创新团队 （No. 2013KCT-015） ； 国家自然科学基金 （No. 51409206， No. 51409208） ； 陕西省教育厅专项科研计划项目 （No. 14JK1548） 。 第一作者简介：温立峰，男，1989 年生，博士研究生，主要从事水工结构数值仿真方面的研究工作。E-mail: wenxuan89@126.com 通讯作者：柴军瑞，男，1968 年生，博士，教授，主要从事水工结构和岩土体水力学方面的研究工作。E-mail: jrchai@xaut.edu.cn
[56]
1 000 cm 805.00 正常蓄水位 800.00 792.56 300 300 780.00 771.34 混凝土面板 垫层 下游堆石 过渡层 主堆石 715.00 694.00 防渗墙 Q4al-3 Q4al-2 Q4al-1 (a) 大坝典型剖面（单位: cm）
732.00 710.00
1
引
言
Juana 面板坝和 Puclaro 面板坝[1]以及中国的梅西面 板坝[2]。众多的面板堆石坝选择将趾板直接建于覆 盖层而不是基岩上，这样不仅可以节省工程投资而 且可以缩短工期。此时，面板、趾板、连接板和地
由于面板堆石坝适应地质条件强，越来越多的 面板堆石坝建立在覆盖层地基上，如智利的 Santa