墊層材料對(duì)超貧膠結(jié)材料壩面板應(yīng)變的影響

郭振勝，孫明權(quán)

（1.池州學(xué)院，安徽 池州 247000；2.華北水利水電學(xué)院，鄭州 450008）

0 引 言

組成混凝土面板堆石壩的堆石體具有壓縮性、剪脹剪縮性、流變特性，遇水也會(huì)發(fā)生不同程度的濕陷變形，為使堆石體與壩體上游的混凝土面板之間平穩(wěn)過(guò)渡，避免面板出現(xiàn)應(yīng)力集中，常在堆石區(qū)和面板之間設(shè)置墊層區(qū)[1]。考慮到超貧膠結(jié)材料壩與堆石壩的材料相似性，參照已建堆石壩的墊層材料參數(shù)，筆者在壩體和面板之間依次加上6種不同材料性質(zhì)的墊層，并確定不同材料的鄧肯—張雙曲線模型參數(shù)。用Fortran Power Station 4.0再次開發(fā)超貧膠結(jié)材料壩非線性有限元程序，加入線彈性有限元分析程序，編制整體有限元程序，對(duì)不同墊層材料工況下的面板應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算分析，得到不同工況下面板的位移分布和最值，深入探討墊層材料對(duì)面板的影響以及填筑墊層區(qū)的必要性，并尋求超貧膠結(jié)材料壩的理想墊層材料。

1 參數(shù)的確定

1.1 墊層與面板的材料參數(shù)和尺寸

墊層區(qū)應(yīng)選用質(zhì)地新鮮、堅(jiān)硬且具有較好耐久性的材料，可以是經(jīng)過(guò)加工的開采石料或天然砂礫石料，也可由兩者混合摻配而成。墊層料的級(jí)配多參照條件相近的工程選用，高壩墊層料應(yīng)具有連續(xù)級(jí)配，最大粒徑80～100mm，粒徑＜5mm的顆粒含量宜選為30%～50%，粒徑＜0.075mm的顆粒含量宜＜8%[2]。壓實(shí)后應(yīng)具有內(nèi)部滲流穩(wěn)定性、低壓縮性、高抗剪強(qiáng)度和良好的施工特性。墊層區(qū)的水平寬度應(yīng)根據(jù)壩高、地形、施工工藝等因素經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)比較加以確定，采用汽車直接卸料、推土機(jī)平料等機(jī)械化施工時(shí)，不宜＜3m；當(dāng)采用專門鋪料措施時(shí)，寬度可適當(dāng)減小。綜合超貧膠結(jié)材料壩的施工和材料特性，類比面板壩的工程經(jīng)驗(yàn)，本文采用等寬布置，水平寬度取4m。

基于上述原則要求，結(jié)合已建面板壩的墊層材料參數(shù)，確定采用鄧肯—張的雙曲線E～μ模型對(duì)墊層進(jìn)行非線性有限元分析時(shí)所用參數(shù)γ、φ、C、Rf、k、n、G、F、D值。

面板構(gòu)造形式參照水布埡工程實(shí)例，采用鋼筋混凝土條塊式面板鋪設(shè)在超貧膠結(jié)材料壩的上游。根據(jù)我國(guó)DL／T 5016-1999《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]要求，中低面板堆石壩可采用0.3～0.4 m厚的等厚面板，考慮到C50超貧膠結(jié)材料壩的最大可建壩高為43m，屬于中低壩，初步選用0.4 m厚的等厚面板。面板寬度根據(jù)壩體變形、施工條件和工作環(huán)境，采用12～18m不等的寬度。面板長(zhǎng)度根據(jù)最大壩高及施工分期情況，在不考慮地形影響情況下，均采用46.31m。材料參數(shù)參照白溪水庫(kù)混凝土面板堆石壩[4]的面板參數(shù)選定，結(jié)果見表1。

表1 墊層與面板材料參數(shù)Table1 Material parameters of cushion and panel

1.2 壩體與地基的材料參數(shù)和尺寸

在墊層對(duì)面板應(yīng)變影響的分析計(jì)算中，取膠凝材料用量為50kg／m3的超貧材料作為壩體填筑材料。計(jì)算參數(shù)主要根據(jù)超貧膠結(jié)材料三軸試驗(yàn)[5]和采用非線性分析方法研究超貧膠結(jié)材料壩的筑壩形式[6]的研究結(jié)果確定。

地基材料參數(shù)的確定，主要根據(jù)超貧膠結(jié)材料壩地基適應(yīng)條件分析[7]的研究結(jié)果，C50的超貧膠結(jié)材料壩體適應(yīng)的地基類型為中等堅(jiān)硬的、完整性較差的、裂隙發(fā)育的弱風(fēng)化次塊狀、鑲嵌狀巖體，中厚層狀結(jié)構(gòu)巖體。裂隙間距為50～30cm，巖體的穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面控制。如風(fēng)化的Ⅰ類巖、石灰?guī)r、砂巖、礫巖以及均一性較差的熔結(jié)凝灰?guī)r、集塊巖等。壩體及地基材料參數(shù)見表2。

不同膠凝材料用量的超貧膠結(jié)材料對(duì)應(yīng)有不同的穩(wěn)定坡比，相應(yīng)的壩體剖面形式也有所變化。在墊層對(duì)面板應(yīng)變影響的分析計(jì)算中，壩體上下游坡比分別取1∶0.40和1∶0.70，壩高取定值43m，壩頂寬取5m，不作為變化因素考慮，計(jì)算范圍為面板、墊層、壩體和地基，地基向壩體上下游側(cè)及地基深度方向各取相應(yīng)一倍壩高的范圍。

表2 壩體及地基材料計(jì)算參數(shù)Table2 Calculation parameters of dam and foundation

2 整體有限元程序的實(shí)現(xiàn)

本文在超貧膠結(jié)材料壩非線性有限元程序?qū)崿F(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上加入線彈性有限元分析程序，對(duì)面板及地基采用線彈性有限元進(jìn)行計(jì)算，而壩體和墊層區(qū)仍采用以土石壩有限元程序分析為基礎(chǔ)的調(diào)整后中點(diǎn)增量法計(jì)算。上述4部分結(jié)構(gòu)作為整體，根據(jù)施工先后順序逐級(jí)施加荷載，計(jì)算面板各單元的位移。在計(jì)算準(zhǔn)備過(guò)程中，采用有限元前后處理軟件ViziCAD的前處理模塊Super-DrawⅡ建立模型，利用Decods模塊譯碼形成最初的數(shù)據(jù)文件，采用EditPlus編寫需要的數(shù)據(jù)文件。在計(jì)算成果的整理過(guò)程中，采用Surfer Version 7.02并結(jié)合Auto－CAD 2008，Excel 2010繪制圖形。

本程序由1個(gè)主程序和20個(gè)子程序構(gòu)成，既可采用四結(jié)點(diǎn)、四邊形等參單元，也可采用三結(jié)點(diǎn)、三角形單元，還可同時(shí)采用這兩種單元，因此可以較好地適應(yīng)各種剖面形式，運(yùn)用較為方便。

依照上述壩體剖面形式及材料參數(shù)，對(duì)面板、墊層、壩體和地基4部分進(jìn)行整體有限元分析。建立計(jì)算模型，做如下簡(jiǎn)化：

1）計(jì)算荷載取自重＋上游靜水壓力，水位取與壩頂齊平；

2）計(jì)算過(guò)程中，壩基及面板不參與非線性迭代；

3）本計(jì)算著重研究不同墊層材料對(duì)面板應(yīng)變的影響，整體有限元網(wǎng)格剖分時(shí)，對(duì)面板和墊層部分適當(dāng)加密，數(shù)據(jù)整理、合理性分析及圖形繪制時(shí)該部分也做重點(diǎn)研究。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)表1所確定的黏土、沙礫石、碎石土等6種墊層材料，隨著k值的不斷增大，面板的豎向位移與不加墊層工況下的豎向位移比較見圖1～圖6。

由圖1～圖6可知：

1）對(duì)于加墊層與不加墊層兩種情況來(lái)講，面板的最大豎向位移均出現(xiàn)在接近20m壩高處，即處于1／2～1／3壩高之間，且兩種情況下的面板的豎向位移隨壩高的分布趨勢(shì)基本相同。

2）隨著k值的不斷增大，對(duì)豎向位移分布的改善具有明顯的規(guī)律性，即k值越大，對(duì)位移分布的改善效果越顯著，豎向位移的最大值也逐漸減小。

3）當(dāng)k＝155、340，即墊層材料為黏土、壤土卵（礫）石時(shí)，與不加墊層時(shí)的位移分布相比較，顯得更為不均勻，無(wú)益于豎向位移分布的改善，且兩者的最大豎向位移分別為0.023、0.019 m，均大于不加墊層時(shí)的位移值0.017m。

4）當(dāng)k＝550、560、760、1050，即墊層材料為沙礫石、碎石土、卵（礫）石、新鮮灰?guī)r碎石時(shí)，均對(duì)豎向位移的分布有所改善，且同一高程處的面板位移值有所降低，墊層材料為新鮮灰?guī)r碎石時(shí)，面板位移分布改善效果最為顯著，此時(shí)的位移最大值為0.014m，明顯小于不加墊層時(shí)的位移最大值。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)再次開發(fā)超貧膠結(jié)材料壩非線性有限元程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同墊層材料工況下面板豎向位移的計(jì)算分析，得到了墊層材料對(duì)面板的位移分布規(guī)律無(wú)顯著影響、但對(duì)面板位移最值的改善效果顯著，充分論證了填筑墊層區(qū)的可行性和必要性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際，通過(guò)對(duì)6種墊層材料的比選，得到了新鮮灰?guī)r碎石為膠凝材料用量50 kg／m3時(shí)超貧膠結(jié)材料壩的理想墊層材料，為進(jìn)一步完善超貧膠結(jié)材料壩的研究體系和工程實(shí)用性提供理論支撐。

[1]李宗坤，趙通陽(yáng)，滕彥磊.墊層料厚度對(duì)堆石壩面板應(yīng)力位移的影響 [J].人民黃河，2010，32（11）：94-95.

[2]SL 228-98，混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[3]DL／T 5016-1999，混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[4]王柏樂(lè).中國(guó)當(dāng)代土石壩工程 [M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004：113-114.

[5]孫明權(quán)，彭成山，李永樂(lè)，等.超貧膠結(jié)材料三軸試驗(yàn) [J].水利水電科技進(jìn)展，2007，27（4）：46-49.

[6]楊世鋒.采用非線性分析方法研究超貧膠結(jié)材料壩的筑壩形式 [D].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2007：23-25.

[7]劉桂玲.超貧膠結(jié)材料壩對(duì)地基的適應(yīng)條件及其鋼筋混凝土面板的研究 [D].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2008：37-40.

[8]孫明權(quán)，彭成山，陳建華，等.超貧膠結(jié)材料壩非線性分析 [J].水利水電科技進(jìn)展，2007，27（4）：42-45.