［摘 要］ 宝泉抽水蓄能电站上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝址地质条件复杂。本文通过对该坝进行二维有限元计算，分析了坝体和面板的应力变形特性，重点是面板反弧段的变形，并提出了改善面板变形相应的工程措施。
［关键词］ 沥青混凝土面板堆石坝 应力变形分析 有限元宝泉抽水蓄能电站上水库
1 前言
宝泉抽水蓄能电站位于河南省新乡市辉县薄壁镇大王庙以上2.4km的峪河上，总装机容量为1200MW。电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群和地面开关站等建筑物组成。
上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝顶高程791.90m，最大坝高94.8m，坝顶长度600.37m，坝顶宽度10.0m。正常蓄水位为789.60m。上游沥青混凝土面板坡比为1∶1.7，厚20.20cm，面板下部设垫层和过渡层。坝体主堆石区采用开挖灰岩填筑，次堆石区为库盆开挖石料。主堆在坝轴线处以1∶0.2的边坡与次堆相接。坝基设有4.00m厚的排水带。坝下游坡比为1∶1.5。库盆采用粘土铺盖全面防渗，典型断面见下图。
根据已经揭示的地质情况看，宝泉上水库主坝坝基覆盖层厚度不一，最深处可达26m，以第四系坡积、冲～洪积物为主。尤其是坝体左岸覆盖层存在古冲沟和沟间洼地，内部充填洪积、崩积和坡积堆积层，间杂土质透镜体，结构复杂，含泥量较大，变形模量较低，可能对坝体尤其是面板的安全产生不利的影响。覆盖层全部挖除成本太高，因此考虑将部分覆盖层保留；另外，为优化坝体材料，覆盖层上面的库底填渣采用库岸开挖石料，坝体次堆石采用库盆开挖石料逐层填筑。
本文通过二维有限元计算，模拟坝体的施工过程和蓄水过程，研究堆石体及沥青混凝土面板的力学特性，以分析减少覆盖层开挖量和优化坝体分区材料等对坝体尤其是对防渗面板变形的影响，进行安全评价。
2 计算模型及参数
2.1 计算模型
在本次计算中，沥青混凝土面板采用线弹性模型，坝基覆盖层料和各种坝体堆石料均采用邓肯－张E－B非线性弹性模型来描述。在线弹性模型中，只需两个材料常数即可描述其应力应变关系：弹性模量E和泊松比v。
邓肯张E－B非线性弹性模型采用切线弹性模量Et和体积模量B来描述土体的应力应变关系。确定Et和B的主要公式中主要涉及以下参数：强度指标和φ，弹性模量数K，弹性模量指数n，破坏比Rf，体积模量数Kb，体积模量指数m，卸荷弹性模量数Kur。
2.2 计算参数
各种材料本构模型的计算参数见表1所示。其中，主堆料、次堆料、覆盖层料、垫层料、过渡料和排水层料六种坝料的本构模型计算参数根据大型三轴试验结果确定；上游黏土铺盖、堆渣和碾压堆渣参照工程经验确定；沥青混凝土面板采用线弹性模型描述，其计算参数也参照工程经验确定。
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3 二维有限元计算
选取坝体最大断面作为典型断面进行计算。
单元以四边形单元为主，辅以少数三角形过渡单元。单元总数517，结点总数553。
3.1 计算工况
计算工况包括施工期和蓄水期。
施工期按坝体施工顺序确定，共分四大级：①地基覆盖层；②坝体（含上游库底填渣）填筑：上游库底堆渣的填筑随整个坝体填筑匀衡上升，主堆石、次堆石、过渡料、垫层料按此顺序平起作业。填筑过程分为18个荷载分级进行模拟；③沥青混凝土面板施工；④库区粘土铺盖层的填筑；
蓄水期即大坝施工完成后，增加水库的蓄水过程，分8级蓄水至789.60m。
3.2 计算成果及分析
1）坝体位移及应力计算成果
竣工期末的坝体位移以及蓄水完毕坝体位移和面板应力变形状况汇总如表2所示。
2） 坝体变形
坝体水平位移均指向下游，最大水平位移发生在坝体下游坝坡处。坝体最大竖直沉降发生在坝体（含坝基）中部，坝体在施工期和蓄水期的最大沉降量分别为119.5cm和120.9cm，约占最大坝高94.8m的1.3%。相应最大水平位移为65.4cm和70.8cm，为相应情况最大沉降量的54.7%和58.6%。
主坝坝体的水平变形指向下游且最大值发生在下游坝体中部的坝坡处。从坝体剖面的型式来看，库盆底高程较坝后坡脚高程高出约55m，这是导致坝体在施工期水平变形指向下游的主要原因。而且，位于坝体下游处的次堆石料变形模量较小，是造成坝体的水平变形指向下游且峰值发生在下游坝坡处的原因之一。
坝体的沉降分布受坝基覆盖层、库底碾压堆渣和次堆石料这三种变形模量较小材料的影响较大。从计算结果看，约10m厚的坝基覆盖层在施工期和蓄水期会发生约40cm的压缩变形，在坝体的沉降变形中占有相当的比例；坝体下游的次堆石区变形模量小也是导致坝体最大沉降和最大水平变形均发生在该区的原因；另外在库底碾压堆渣区（其邓肯－张E－B模型参数k=250），由计算结果看，施工期将发生超过40cm的沉降变形。蓄水期在蓄水重量的作用下，由于坝基覆盖层料和库底碾压堆渣层的压缩，库底粘土铺盖层将发生约60cm的沉降变形。
3）坝体应力
竣工期和蓄水期的大主应力最大值分别为1.84MPa和1.96MPa，小主应力最大值分别为0.68MPa和0.73MPa，差别均不大，且都出现在坝轴线附近大坝底面上。从趋势上看，坝体大、小主应力随填筑厚度而变化，蓄水期坝体因受水压力影响，仅在上游面附近的应力与竣工期有一定的差异。
4）面板应力和变形
计算结果表明，水库蓄水完毕后上游面板的挠度在其水平段末端最大，约为26.3cm。面板挠度总体上随着高程的增加逐渐减小，但减少较为缓慢，在接近坝顶时仍有约8~9cm的挠度变形。上述面板的变形特点实际上也是由坝体的变形特点所决定的。在沥青混凝土面板堆石坝中，沥青混凝土面板为柔性传力结构，其变形主要取决于其下堆石体和覆盖层的变形，因而面板下堆石体和覆盖层的变形模量，对面板变位均有较大影响。上游面板挠度的最大值发生在其水平段末端，是由于该处堆石体和覆盖层仍然较厚且此处水压力最大所致。
从面板的应力和应变分布状况看，面板底部的反弧段基本为受拉区，而倾斜直线段应力和变形均较小。面板顺坡向拉应力和拉应变的峰值均出现在反弧段上部的起点附近，顺坡向拉应力的峰值为-1.98MPa，顺坡向拉应变的峰值为-0.30%。进行面板设计时，设计温度下的极限拉应变和极限拉应力均可以作为设计控制指标。
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4 结语
通过有限元计算分析，可以得到以下几点初步结论：
(1)从计算结果看，无论是坝体还是面板的变形和应力，均满足设计要求。但因覆盖层厚度不均，另外选取覆盖层较为复杂的断面，对于防渗面板部位的坝基覆盖层进行了全挖、部分挖（用主堆石换填）和全保留的比较计算，结果同样证明，部分覆盖层挖除换填，适当保留下部较硬岩石，再用重型震动碾压实，是可行的。不同部位覆盖层保留的深度，需进一步做多方面分析决定。
(2)坝体沉降在库底堆渣和次堆石区均有较大值，但最大值出现在次堆石区，且坝体最大水平位移和最大沉降均略偏向下游。这是因为库底堆渣在整个坝体中所占分量小于次堆石区，坝体变形和应力受次堆软岩填筑区的影响占主要地位。但就目前的分区方案而言，次堆软岩并未对坝体和面板构成重大影响，并且实际施工时，坝体次堆后面存在坝后堆渣平台。经其他有关对坝后堆渣的分析表明，下游堆渣区的存在总体上看对改善坝体尤其是下游坝坡的稳定性具有一定的效果，但对于改善坝体的变形尤其是沥青混凝土面板的变形作用不大。
另外据2007年3月份的观测月报数据得知，主坝坝体最大沉降值1009mm位于主坝245.86断面（左坝肩和河床接触断面）740.00高程的次堆石区；主堆石区沉降量相对较小，一般在500mm。坝体填筑停止后，沉降也基本稳定下来。目前大坝填筑已基本结束，虽尚未完全稳定下来，仍存在微小的沉降量，但坝体沉降大部分已经形成。
可见，观测值与计算值基本相符。
(3)坝体沉降分布受坝基覆盖层、库底碾压堆渣和次堆石料这三种变形模量较小材料的影响较大，而面板受此不均匀沉降的影响，反弧段附近受拉严重且出现拉应变峰值。另外，面板反弧段下面对应的覆盖层越厚，反弧段拉应变值越大。所以，面板反弧段是面板变形的敏感部位，且施工时该部位还不容易压实。因此，应该采用有效的工程措施来减小反弧段尤其是环行坝段反弧段的拉应变以防止产生裂缝，如局部加厚沥青混凝土和铺设聚脂网格、覆盖层局部换填处理、严格控制大坝各区回填料压实质量等。
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