主次堆石體分區(qū)對堆石壩影響研究

韓 芳 汪 君

(1.武漢科技大學理學院,武漢 430065;2.冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學湖北省重點實驗室,武漢 430081;3.中國五環(huán)工程有限公司,武漢 430223)

面板堆石壩是以堆石為受力主體、混凝土面板為防滲主體的一種新型的土石壩類型,具有就地取材、適應性強、施工簡單、造價低等優(yōu)點,成為目前壩工結構中競爭力強、發(fā)展前景好的壩型.我國的面板堆石壩設計中,一般取壩體中心部位的區(qū)域(俗稱“死區(qū)”)下游側的邊界作為主次堆石的分界,但國外的一些工程卻傾向于將次堆石的區(qū)域擴大至“死區(qū)的上游側”以擴大次堆石體的范圍,如關門山面板壩采用俯傾1∶0.6主次分區(qū),龍溪面板壩采用俯傾1∶0.5主次分區(qū),而澳大利亞塔斯馬尼亞面板壩采用仰傾1∶0.2主次分區(qū)[1-2].其次,主次堆石體由于分布差異而造成的不均勻變形將在面板內形成較大的拉應力,成為引起面板裂縫的重要因素之一[3].目前確定區(qū)分邊界的常規(guī)做法是在滿足水力過渡和變形模量遞減的原則后,參照已有工程經(jīng)驗來選定[4-5].由此可見,研究主次堆石體的合理分區(qū)對分析面板的應力應變是有積極意義的,本文將以實際工程為例進行主次堆石體分界探討.

1 計算原理及方法

1.1 Duncan-Chang EK模型

鄧肯張EK非線性彈性模型采用切線彈性模量和體積模量兩個彈性常數(shù)[6],其中:

切線彈性模量

體積模量

回彈模量

應力水平

可見,該模型共有8個參數(shù):K,Kur,Rf,Kb,m, n,c,φ,可由一組三軸試驗確定.對堆石材料,常取c= 0并使用如下的非線性強度參數(shù)φ0和Δφ0[7].

1.2 計算說明

(1)采用ANSYS中的APDL語言進行二次開發(fā),設計需要的模型單元.使用APDL給每個單元定義一個材料號,分級施加荷載,在每個荷載步結束時提取出各單元的σ1和σ3,據(jù)此計算出下個荷載步的彈性模量E,再修改各單元材料屬性進行下一步計算.

(2)在混凝土面板和堆石體這兩種變形特性相差較大的材料間設置接觸單元來模擬兩者之間的力學性能(CONTA172定義目標面,TARGE169定義接觸面).

(3)使用 Duncan-Chang模型進行有限元分析時,初始狀態(tài)對計算有重要影響,然而實際土體的初始應力狀態(tài)是無法精確計算的,作為近似估計,可以采用土體的自重應力.

(4)采用生死單元模擬動態(tài)施工過程,采用增量法考慮荷載的逐級施工,計算出施工各階段的應力變形,該方法可反映結構本身隨施工填筑而變化對應力變形的影響.

2 工程實例

2.1 工程概況

蓼葉水庫混凝土面板堆石壩,壩頂高程503.40 m,最大壩高67.4m,壩頂長377.21m.主次堆石料均選用石英長石砂巖和巖屑石英砂巖,飽和抗壓強度35～50MPa.計算選取最大壩高斷面,采用不同壩體分區(qū)的3個方案進行計算,3方案的次堆石體上游分界線的坡度有所不同,方案1為仰傾,坡比1∶0.2,方案2為俯傾,坡比為1∶0.2,方案3為俯傾,坡比為1∶0.6(如圖1所示).

圖1 3個方案混凝土面板堆石壩基本剖面圖

該面板堆石壩的位移-應力計算采用 Duncan-Chang非線性彈性模型.該模型由常規(guī)三軸試驗來確定變化的彈性材料參數(shù),見表1.

表1 Duncan-Chang(E-K)模型材料參數(shù)

建立有限元模型如圖2所示,基礎取1.5倍壩高,基礎上、下游端部距上、下游壩坡腳取1.5倍壩高.采用四節(jié)點等參單元,總節(jié)點數(shù)3 314,總單元數(shù)3234.上、下游端部的邊界施加順河流向位移約束,底部施加鉛垂向位移約束.

圖2 面板堆石壩有限元計算模型(以方案1為例)

將壩體分為13層以模擬每層填筑或分段加載.在計算中共分17級加載,其中壩基及覆蓋層作為一級加載.在第1級加載中,只計入初始應力場,不計入位移.隨后按壩的填筑高程依次第2級至第14級加載.第15級加載為庫水壓力(死水位474m),第16級加載為庫水壓力(水位490m),第17級加載為庫水壓力(正常蓄水水位500m).

2.2 結果整理

3個方案在竣工期和正常蓄水期的變形見表2.

表2 面板堆石壩最大變形值 (單位:cm)

2.3 方案對比

(1)位移分析:方案1變形最大,方案3變形最小.3個方案的最大沉降分別占壩高的0.185%、0.169%、0.154%,均小于壩高的1%,在合理范圍內;3個方案竣工期壩體的沉降值,以方案1最大,方案3最小;3個方案向上游的水平變形的最大值均位于距壩基面上1/3壩高的上游壩坡面上,向上游水平變形最大值分別為14.9cm,14.6cm和14.5cm;3個方案向下游的水平向變形最大值均在距壩基面上1/3壩高的下游壩坡面上,向下游水平變形最大值分別為16.2cm,15.9cm和15.2cm.

(2)應力分析:竣工期和蓄水期3個方案在上、下游壩坡面、壩頂及下游壩坡腳處的很小局部區(qū)域出現(xiàn)了一定的拉應力,不同的方案對這些區(qū)域的拉應力影響不同.對上部馬道,3個方案的拉應力峰值較為接近,對下部馬道,方案2在該處的拉應力峰值最小,方案1的拉應力峰值最大;對上游壩坡面,方案2拉應力峰值最小,方案1的拉應力峰值最大;對壩頂,方案1拉應力峰值最小,對下游壩坡腳,方案3拉應力峰值最小,方案2最大.由此可見,對于不同的部位,3方案各有優(yōu)劣.

(3)應力水平:應力水平反映了土體的抗剪切破壞能力的裕量,3個方案大壩上的應力水平峰值均出現(xiàn)在下游壩坡面的下部,此時3個方案的應力水平峰值分別為0.55(方案1),0.56(方案2),0.54(方案3).由此可見,壩體上抗剪切強度在正常蓄水期均有較大的富裕,能保證大壩的抗滑穩(wěn)定.

3 結 論

(1)從變形來看,方案3(俯傾,坡比1∶0.6)最優(yōu),二次變形較小;從應力來看,3個方案的壓應力峰值在同一個數(shù)量級,對于不同的部位,各方案略有優(yōu)劣;從應力水平來看,3方案略有差異,皆滿足穩(wěn)定性要求.

(2)綜合分析應力、變形及穩(wěn)定性條件,建議該混凝土面板堆石壩設計中,主堆石及下游堆石體的界線設置成自壩軸線向下游傾斜,其坡度在1∶0.6左右,可保證穩(wěn)定性及應力變形條件最佳.該結論可為類似堆石壩結構提供參考.

[1] 蔡 新.混凝土面板堆石壩結構分析與優(yōu)化設計[M].北京:中國水利水電出版社,2005:95-98.

[2] 蔣國澄,趙增凱.中國混凝土面板堆石壩的近期進展[J].貴州水力發(fā)電,2004,18(15):1-4.

[3] 劉 招,苗隆德.基于APDL的混凝土面板堆石壩三維非線性有限元分析[J].西北水力發(fā)電,2004,20(4):17-20.

[4] 傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩[M].武漢:華中理工大學出版社,1993:10-15.

[5] 曹克明.超高面板堆石壩堆石體分區(qū)及相關問題[J].土石壩與巖土工程實踐及探索-2004年技術研討會論文集.2004:5-9.

[6] 徐澤平.面板堆石壩應力變形特性研究[M].北京:中國水利水電科學研究院,2005:112-115.

[7] 徐澤平,鄧 剛.高面板堆石壩的技術進展及超高面板堆石壩關鍵技術問題探討[J].水利學報,2008,39(10): 1226-1234.