不同混凝土心墻岸坡坡比下大壩應(yīng)力變形特性分析

劉兆龍

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

不同混凝土心墻岸坡坡比下大壩應(yīng)力變形特性分析

劉兆龍

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

隨著中國(guó)水利工程的不斷發(fā)展，土石壩的比例不斷增加，尤其是以瀝青混凝土心墻作為防滲結(jié)構(gòu)的壩型廣泛應(yīng)用。目前，對(duì)于瀝青混凝土心墻岸坡坡比的理論研究和施工工藝較為成熟，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)的一種主流壩型。文章結(jié)合工程實(shí)例，分析研究在不同工況下混凝土心墻岸坡坡比變化對(duì)壩體應(yīng)力變形影響，總結(jié)特性變化規(guī)律，為大壩在心墻岸坡坡比的設(shè)計(jì)中提供指導(dǎo)。

混凝土心墻；坡比；土石壩；變形；特性

1 緒 論

瀝青混凝土心墻土石壩中的防滲體設(shè)計(jì)在大壩內(nèi)部，外力荷載和溫度對(duì)其影響較小，抗震性提高等。作為防滲體系的重要組成部分，具有以下特點(diǎn)[1]：①防滲性能較好，滲透系數(shù)保持在10-7-10-8cm/s以下，并且澆筑時(shí)瀝青混凝土是不透水的；②適應(yīng)變形能力較強(qiáng)，由于材料本身柔性較好，適用于各種壩體與基礎(chǔ)的不均勻沉陷，同時(shí)較好的適應(yīng)岸坡的變形；③施工工藝簡(jiǎn)單，可與壩體同步施工，過(guò)程中水庫(kù)可以蓄水，結(jié)構(gòu)工程量少，節(jié)省工程投資，提高工程進(jìn)度；④具有良好的塑性性能，抗沖擊性較強(qiáng)，不影響防滲性能的同時(shí)快速有效的適應(yīng)各種材料變形，因其高強(qiáng)度，大阻尼，受地震荷載作用破壞的幾率較??；⑤瀝青混凝土心墻的材料耐久性明顯優(yōu)于其他材料；⑥瀝青混凝土心墻的體積小于其他防滲結(jié)構(gòu)，極大程度上保護(hù)了自然生態(tài)。瀝青混凝土防滲結(jié)構(gòu)的特性在工程中效果顯著，工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

2 應(yīng)力變形經(jīng)理有限元分析原理

2.1 土石壩有限元分析

基于材料應(yīng)力應(yīng)變的非線性關(guān)系，將非線性轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性問(wèn)題的過(guò)程，目前主要用迭代法解答。文章計(jì)算方法為中點(diǎn)增量法[2]，在工程實(shí)際運(yùn)用中極為廣泛，迭代過(guò)程較為簡(jiǎn)單適用，在非線性有限元的分析方法被廣泛應(yīng)用。它對(duì)施工過(guò)程荷載加載部分進(jìn)行模擬，分別求得施工過(guò)程的各階段的材料的應(yīng)力變形情況。其計(jì)算步驟如下：

1)定義初始狀態(tài)點(diǎn)Mi-1?？赏ㄟ^(guò)應(yīng)力{σ}i-1計(jì)算求得材料的彈性常數(shù)Ei-1，vi-1然后形成勁度矩陣[K]i-1。

2)施加荷載：在結(jié)構(gòu)上施加一半荷載{△R}i/2，用式1解得位移增量。

(1)

4)利用{R}i-1在結(jié)構(gòu)上施加全荷載{△R}i，套入式1來(lái)解得位移增量：

(2)

求解出應(yīng)力增量{△σ}i、應(yīng)變?cè)隽縶△ε}i，并對(duì)求出的應(yīng)力和應(yīng)變分量進(jìn)行累加。

5)重復(fù)1-4的步驟，最終求解處施加各級(jí)荷載下對(duì)應(yīng)增量的應(yīng)力應(yīng)變。

2.2 本構(gòu)模型

當(dāng)今在非線性問(wèn)題的本構(gòu)模型研究中，采用較為廣泛的是鄧肯(Duncan)與張(Chnag)的雙曲線非線性彈性模型[3]，特點(diǎn)是適用性強(qiáng)，各參數(shù)概念性強(qiáng)且數(shù)值容易計(jì)算確定，最大程度上反映出土體的非線性特性。在常規(guī)三軸試驗(yàn)中，表達(dá)式如下：

(3)

式中：a和b均為常數(shù)。

材料的切線彈性模量表達(dá)式為：

(4)

通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)得出a、b值后切線彈性模量可表達(dá)為：

Et=(1-Rfs)2Ei

(5)

式中：Rf破壞比，表示主應(yīng)力差和其漸近值之比：

(6)

定義s應(yīng)力水平，表達(dá)式如下：

(7)

式中：Ei為初始切線模量。

(8)

代入式(8)可得

(9)

式中：c為土體的黏聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角，Rf對(duì)應(yīng)不同σ3下的均值。

材料卸荷模量：

(10)

式中：Kur為試驗(yàn)參數(shù)，一般大于材料的滲透系數(shù)。

切線體積模量Bt表達(dá)如下式：

(11)

式中：m為無(wú)量綱系數(shù)；Kb體積模量數(shù)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水利樞紐工程主要是以發(fā)電為主，兼顧灌溉，水上交通等綜合效益。樞紐布置主要包括溢洪道、瀝青混凝土心墻壩、泄洪洞、地下廠房等。大壩正常蓄水位2338.00m，設(shè)計(jì)洪水位2337.58m，校核洪水位2339.40m，總庫(kù)容1.08億m3。瀝青混凝土心墻基座位于基巖處，最大高度116.00m，對(duì)應(yīng)壩高172.30m[4]。瀝青混凝土心墻土石壩的標(biāo)準(zhǔn)橫剖面如圖1。

3.2 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

本模型中兩岸山體沿著上下游方向、壩軸線方向、豎直方向都各取一倍壩高。X向沿壩軸線指向左岸為正；Y向沿水流方向指向下游為正；Z向沿豎直方向向上為正。該模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分：壩體單元36525個(gè)，節(jié)點(diǎn)53283個(gè)。網(wǎng)格剖分如圖2。

邊界條件：壩體兩側(cè)壩軸線方向施加X(jué)向約束，水流方向施加Y向約束，基巖面施加三向約束。

圖1 瀝青混凝土心墻土石壩的標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

圖2 最大剖面網(wǎng)格剖分圖

計(jì)算時(shí)，大壩的堆石料，過(guò)渡料，瀝青混凝土心墻、覆蓋層均采用鄧肯-張E-B模型參數(shù)，岸坡巖體和地基基巖定義為線彈性材料，材料計(jì)算參數(shù)情況[5]見(jiàn)表1。

表1 大壩材料計(jì)算參數(shù)表

3.3 三種不同方案的擬定

計(jì)算采用三種方案見(jiàn)圖3，分別定義瀝青混凝土心墻岸坡坡比為1∶0.35、1∶0.25、1∶0.15。

圖3 三種不同岸坡坡比的瀝青混凝土心墻圖

3.4 計(jì)算結(jié)果

文章只列出方案一的計(jì)算結(jié)果示意圖如圖4-7(下同)。三種方案下壩體在竣工期和蓄水期的位移和應(yīng)力應(yīng)變見(jiàn)表2。

圖4 竣工期最大剖面垂直位移等值線圖

圖5 壩體在竣工期最大剖面水平位移等值線圖

圖6 壩體在竣工期最大剖面大主應(yīng)力等值線圖

大壩不同工況不同方案下的應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析，見(jiàn)表2。

表2 壩體的計(jì)算成果表

豎直位移變化：竣工期壩體最大沉降量為0.65m，發(fā)生位置約在1/2壩高處，最大沉降量約為壩高的0.35%。蓄水后，最大沉降量略微增加，但蓄水前后壩體沉降變化規(guī)律相似。水平位移變化：基本呈對(duì)稱分布，竣工期壩體的水平最大位移，上游5.58cm(壩體中部約2/5壩高處)，下游5.83cm。蓄水時(shí)，由于上游水壓力的作用整個(gè)壩體趨向下游移動(dòng)，上游增大為4.62cm(約1/2壩高處)，下游為14.52cm，蓄水前后壩體水平位移變化規(guī)律相似。壩體大主應(yīng)力：竣工期大主應(yīng)力變化規(guī)律，與深度變化呈線性關(guān)系，最大主應(yīng)力為-3.20MPa，蓄水時(shí)為-4.03MPa，數(shù)值有所增大。蓄水完成后，心墻與過(guò)渡料處產(chǎn)生有應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要是因?yàn)椴牧狭W(xué)特性有較大差異所致。壩體小主應(yīng)力：竣工期小主應(yīng)力為0.52MPa(壩體中部壩高約1/5處)；蓄水時(shí)為1.20MPa，比竣工期數(shù)值略微增大。方案二、方案三的壩體應(yīng)力變形規(guī)律與方案一相似，綜合計(jì)算結(jié)果認(rèn)為方案三的分析更為符合規(guī)范要求?？⒐て诤托钏诘挠?jì)算結(jié)果表明，壩體的應(yīng)力變形值在合理范圍內(nèi)，壩體分區(qū)設(shè)計(jì)和邊坡坡比是合理的，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 總 結(jié)

在土石壩有限元基本原理分析和適宜材料本構(gòu)模型的構(gòu)建基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)瀝青混凝土土石壩壩坡坡比的三種不同方案進(jìn)行了施工期和蓄水期兩種工況的有限元靜力分析，得出隨著岸坡坡比的變化對(duì)大壩應(yīng)力應(yīng)變的影響和壩體安全性分析。結(jié)果表明大壩不存在過(guò)大的不均勻沉降問(wèn)題，應(yīng)力分布規(guī)律基本合理，工程的安全性可以得到保證。

[1]朱晟,聞世強(qiáng).當(dāng)代瀝青混凝土心墻壩的進(jìn)展[J].人民長(zhǎng)江，2004，35(09)：9-11.

[2]張懷生.水工瀝青混凝土防滲技術(shù)[J].水利水電施工，2006(12):1-5

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家能源部.DL/T5411—2009土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[4] 王波，申向東.瀝青混凝土心墻堆石壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算[J].黑龍江水專學(xué)報(bào),2008,35(02)：52-55.

[5]張蕓蕓，陳堯隆，呂琦，等.瀝青混凝土心墻壩的應(yīng)力及變形特征[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2009，20(03)：87-90.

AnalysisforDamStressDeformationCharacterinDifferentSlopeRatioofConcreteCoreWallBankSlope

LIUZhao-long

(HeilongjiangProvincialNenRiverDiversionProjectManagementDepartment,Daqing163000,China)

With constant development of the hydraulic projects in China, the proportion of soil and rock dam increased constantly, especially, the dam type taking asphalt concrete core wall as the seepage protection structure was applied widely. At present, the theoretical research and construction technology of asphalt concrete core wall bank slope ratio are developed and have been a kind of trunk stream type in China. In combination with the project case, the changing impact of concrete core wall bank slope ratio on dam body stress deformation was analyzed and the character changing law was concluded to supply guidance for the design of core wall bank slope ratio of the dam.

concrete core wall; ratio of slope; earth-rock dam; deformation; character

1007-7596(2017)07-0030-04

2017-06-16

劉兆龍(1977-)，男，黑龍江富裕人，工程師。

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