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摘 要：以西南地区某水电站混凝土面板堆石坝为例，进行了三维有限元静动力仿真计算，根据计算结果，对坝体和面板不同计算工况下的位移、沉降、应力分布和水平及接缝位移等情况进行了综合分析，并对大坝基础开挖、坝体结构、坝顶超高、坝体变形和坝坡稳定控制、面板应力和变形控制、面板分缝及处理措施等方面提出了建议，对大坝设计具有重要的指导意义，对同类工程也具有一定的参考价值。
关键词：混凝土；面板堆石坝；三维有限元；静动力计算
1 工程概况
西南某水电站是以发电为主，兼顾灌溉、旅游等综合利用效益的水电枢纽工程，水库总库容17.74×108m3，最大坝高175.5m，装机容量270MW。挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，按500年一遇洪水设计，可能最大洪水校核。水库正常蓄水位675.00m，汛限水位为665.00m，设计洪水位678.21m，校核洪水位683.49m，死水位640.00m。本文介绍了该电站混凝土面板堆石坝的三维有限元动静力有限元仿真计算过程，基于计算成果，对大坝基础开挖、坝体结构、坝顶超高、坝体变形和坝坡稳定控制、面板应力和变形控制、面板分缝及处理措施等方面提出了建议，对大坝设计具有重要的指导意义，对同类工程也具有一定的参考价值。
2 计算模型及参数
2.1 计算模型
三维计算模型边界底部取坝基覆盖层底部基岩面，两岸取至开挖面。
坝体静力计算采用“南水”双屈服面弹塑性模型，混凝土面板采用线弹性模型，面板周边缝接缝材料采用连接单元模拟，垂直缝采用分离缝模型模拟。动力计算采用等价粘弹性模型。
2.2 计算参数
根据坝料静、动力试验成果以及工程类比，确定坝料静、动力参数。混凝土面板弹性模量、泊松比和密度分别为E=28GPa，？滋=0.167，？籽=2.40g/cm3。抗震设计地震标准取基准期100年超越概率2%（地震动峰值加速度a=0.275g），校核地震标准取基准期100年超越概率1%（a=0.328g）。接触面模型参数、静动力计算参数如表1-3所示。
3 静力计算结果分析
静力计算分别按不考虑流变和考虑流变两种情况进行计算。计算成果如表4所示。
与不考虑流变情况相比，考虑流变时坝体和面板的变形量有明显增加，应力分布规律相似，应力水平无明显变化。考虑流变时坝体运行期最大沉降达到69.0cm，面板运行期最大挠度达27.2cm，与类似工程相比处于中等水平；混凝土面板拉压应力均在允许范围，应力变形分布符合混凝土面板堆石壩的一般规律。
面板垂直缝变形总体上河床部分压紧、两岸和周边缝张开，左岸垂直缝张开量相对于右岸略大。考虑流变时接缝变位均有所增大，运行期周边缝最大沉陷24.7mm，最大错动31.2mm，最大张开26.0mm，垂直缝最大张开6.6mm，止水结构和止水材料能够适应变形。
4 动力计算结果分析
主要计算结果见表5-6。100年超越概率2%情况下，坝顶及附近下游坡区域加速度绝对值较大，堆石存在局部松动、滑落的可能性；地震情况下永久变形、震陷均不大；蓄水期地震过程中最大拉压动应力叠加后面板坝轴向最大拉、压应力达8.95MPa和17.40MPa，顺坡向达6.11MPa和16.70MPa，河床部位面板顶部以及左右两侧面板上部发生拉裂破坏可能性较大；面板周边缝的三向动变形最大值分别为错动25.0mm，沉陷22.3mm，张开24.2mm，在止水结构允许范围内；地震过程中面板伸缩缝最大张开量约为10.0mm，在允许范围内。
100年超越概率1%较之100年超越概率2%的情况，其最大反应加速度、永久变形、面板动拉压应力以及面板周边缝、伸缩缝变形均略有增大，但动力反应放大倍数略有减小，存在的问题仍然是坝顶附近拉应力超过混凝土的允许值。在设计和校核地震下，大坝的设计总体满足抗震安全性要求。
5 设计方案建议
基于上述分析结果，结合类似工程的经验，对大坝设计方案提出以下建议：
（1）基础开挖
河床部位挖除0.3倍坝高范围内河床冲积层，将趾板置于基岩上；其余部位清除冲积层表层2～3m，其下保留作为堆石体基础，并做好坝体的防渗处理措施。
（2）坝体结构
加宽坝顶宽度至10m，增强大坝地震时的抗滑稳定性；采取提高坝体上部填筑标准、加厚混凝土面板等防裂、防震措施，下游坝顶范围边坡加固、坝前设置可靠铺盖等。
（3）坝顶超高
坝顶超高考虑地震时坝体和坝基产生的附加沉陷和水库地震涌浪，地震涌浪高度取值1.5m，地震附加沉陷按坝高的1%计，其值远大于动力计算坝顶最大垂直地震永久变形值，满足规范要求。
（4）控制坝体变形和坝坡稳定
针对坝顶及坝顶附近下游坡区域堆石存在局部松动、滑落的可能性，设计考虑上缓下陡的坝坡形式，下游坝坡采用大块石护坡，553m高程设一大平台；采用浆砌石或加筋堆石等加强措施；施工期间通过增加碾压遍数等措施，提高坝体堆石料的压实密度，减小坝体的沉降变形。
（5）控制面板应力和变形
针对河床部位面板顶部以及左右两侧面板上部地震情况下发生拉裂破坏的可能性，设计考虑顶部以下10m、施工缝上下10m及周边缝面板侧5m范围，均采用双层双向配筋，顶部加强配筋。
（6）面板分缝及处理措施
合理设置垂直缝分缝宽度和位置，不同部位采取不同的缝面处理型式：周边缝和顶部垂直缝，加大无粘性填料尺寸；接缝采用抗震减震材料嵌缝；趾板位于山坡较陡部位时，采用过渡料填筑密实，加密加深趾板下部锚筋，加强固结灌浆。
参考文献
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[4]刁志明，邓文杰，刘良军，等.金佛山混凝土面板堆石坝应力变形三维有限元分析[J].水电能源科学，2013（1）：61-64.
作者简介：刘家涛（1985-），男，江苏连云港人，工程师，主要从事水利水电工程设计、项目管理等工作。
