混合壩刺墻部位滲流—應(yīng)力耦合作用有限元分析

李 懷 超

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

1 背景介紹

土石與混凝土等剛性建筑物的連接處是混合壩最薄弱的一部分。由于受到混凝土結(jié)構(gòu)的約束作用，土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸處的力學(xué)特性與料場(chǎng)土體的性質(zhì)不同，該區(qū)域稱之為土與結(jié)構(gòu)的接觸面?；炷梁屯恋牟牧闲阅?比如剛度)差別較大，這些差異在靜、動(dòng)力的作用下會(huì)使二者具有不同的變形行為，在接觸面上的受力變形也會(huì)很復(fù)雜。

本文以出山店水庫(kù)擋水壩段的連接壩段進(jìn)行分析，出山店混凝土壩段從樁號(hào)3+271開始，到右岸樁號(hào)3+700.57止，總長(zhǎng)429.57 m(包括連接段)，從左岸至右岸分別為:連接壩段、溢流壩段、底孔壩段、電站壩段和右岸非溢流壩段。

2 三維有限元計(jì)算模型

本文所研究的連接壩段三維有限元模型采用四面體10節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐?，劃分網(wǎng)格后，三維有限元共有網(wǎng)格單元32 570個(gè)，結(jié)點(diǎn)52 413個(gè)，其中在混凝土壩和粘土心墻接觸處的接觸目標(biāo)元有797個(gè)、接觸面元654個(gè)。為了計(jì)算方便，壩軸線與Z軸重合，指向混凝土壩為Z軸正方向，指向粘土心墻為負(fù)方向；順河流垂直壩軸線的方向?yàn)閄軸正向，模型計(jì)算分析時(shí)使用了三種材料：混凝土材料，心墻粘土材料，壩殼填土材料。圖1為大壩三維有限元網(wǎng)格剖分圖(混凝土刺墻和壩基巖石看作同一種材料)。

由于混凝土與粘土的接觸部位，兩種材料的差異性太大，所以在接觸部位設(shè)置了目標(biāo)元Targe170和接觸元Conta174，目標(biāo)元覆蓋在刺墻表面，接觸元在目標(biāo)元和粘土心墻中間。

3 不同水位工況下計(jì)算結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)水位工況下計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《河南省出山店水庫(kù)工程可行性研究報(bào)告》，建立模型時(shí)水庫(kù)上游設(shè)計(jì)水位95.78 m，壩底高程65.00 m，則壩殼填土底部初始孔隙壓力為301.64 MPa，上游設(shè)計(jì)水位線處的初始孔壓為0，從上到下隨水的深度呈線性增加；下游水位距壩底2.00 m，下游底部的初始孔壓力19.6 MPa。建模時(shí)壩底的花崗巖厚度取25 m，模型底部(y=-25處)、沿壩軸線兩端(z=0,z=-100處)、順河向兩端(x=80,x=-80)按作不透水邊界處理，在應(yīng)力計(jì)算時(shí)，約束模型底部的全部位移，約束壩軸線兩端面(z=0,z=-100)的Z方向位移，約束順河向兩端面(x=80,x=-80)的X方向位移。

運(yùn)用有限元方法，采用ANSYS軟件溫度場(chǎng)模塊，圍繞混凝土刺墻與粘土心墻連接段的滲流問(wèn)題，進(jìn)行滲流場(chǎng)的數(shù)值分析模擬，得到壩體內(nèi)部滲流量、繞壩滲流、最大坡降，溢出點(diǎn)滲流速度等信息。在設(shè)計(jì)水位工況下，下游水位高程67.00 m，水位距壩底2.00 m，滲流結(jié)果如圖2所示。

在采用設(shè)計(jì)水位的工況時(shí)，上游水位高程95.78 m，壩底高程65.00 m，上游水頭30.78 m，這里假設(shè)混凝土和花崗巖石的滲流速度相同，采用同一種材料。模型單元總水頭云圖如圖2所示，從圖2中可以看出，壩殼填土部位滲透系數(shù)較大，總水頭改變量較小；粘土心墻部位滲透系數(shù)較小，水頭變化量較大，也就是說(shuō)從上游滲透的水頭大部分消耗在心墻內(nèi)部，而在壩殼處改變很小。當(dāng)水在壩體模型內(nèi)部發(fā)生滲流時(shí)，模型單元的水頭壓力也是逐漸減小的。

在滲流分析時(shí)，浸潤(rùn)線(面)是一個(gè)很重要的參考指標(biāo)，浸潤(rùn)面是這樣的一個(gè)曲面：這個(gè)面上的單元水壓力為零，它是壩體內(nèi)部滲水的自由水面。在這個(gè)平面上部的滲流為非飽和滲流，單元水壓力為負(fù)；在這個(gè)平面以下滲流為飽和滲流，單元水壓力為正。浸潤(rùn)線(面)一直是重要的內(nèi)容，它反映了飽和滲流和非飽和滲流的區(qū)域比例。在ANSYS結(jié)果分析的后處理模塊中，加入一條這樣的命令判斷語(yǔ)句，如果模型中土體單元的壓力水頭值為負(fù)，就把這個(gè)單元的壓力水頭賦值為零，如果這個(gè)土體單元的壓力水頭值為正，就保持不變。

此時(shí)模型的單元壓力水頭云圖如圖3所示。這里混凝土刺墻的滲透系數(shù)相較粘土心墻和壩殼填土很小，所以在壩體模型內(nèi)部滲流零壓力面相較附近心墻土體有突變。在圖3中，灰色部分區(qū)域發(fā)生非飽和滲流，屬于非飽和區(qū)。在后處理時(shí)，加入下列命令語(yǔ)句，令土體單元水壓力不為零的賦值為零，即可得到浸潤(rùn)面。當(dāng)混合壩采用混凝土刺墻插入粘土心墻的連接方法時(shí)，在插入刺墻與粘土心墻的上游接觸面上，此時(shí)的水頭值等于上游庫(kù)水的總水頭值，并且接觸面上的靜水壓力基本保持不變，單元水頭壓力在上游接觸面幾乎沒(méi)有降低，幾乎所有滲水的靜水壓力的降落都發(fā)生在混凝土與心墻的橫向接觸面和下游粘土心墻內(nèi)。

*DO,I,1,N_MAX！循環(huán)語(yǔ)句

N_TEMP(I)=TEMP(I)

N_PRE(I)=N_TEMP(I)-NY(I)!土體單元壓力水頭值

*if,N_PRE(I),ne,0,then!條件判斷語(yǔ)句開始

N_PRE(I)=0!把土體單元壓力水頭值賦值為零

*endif!結(jié)束條件判斷語(yǔ)句

DNSOL,I,TEMP,,N_PRE(I)

*ENDDO!結(jié)束循環(huán)語(yǔ)句

PLNSOL,TEMP

3.2 正常水位工況下計(jì)算結(jié)果分析

水庫(kù)上游正常水位88.00 m，壩基高程65.00 m，壩殼填土底部初始孔壓為225.40 MPa，模型花崗巖厚度取25 m，上游正常水位線處的初始孔壓力為0，并且從上到下隨水的深度呈線性增加；下游水位距壩底2.00 m，下游底部的初始孔壓力為19.6 MPa。模型底部(y=-25處)、沿壩軸線兩端(z=0,z=-100處)、順河向兩端(x=80,x=-80)按作不透水邊界處理。滲流結(jié)果見圖4,圖5。

表1 設(shè)計(jì)水位下計(jì)算結(jié)果匯總表

分項(xiàng)計(jì)算條件考慮耦合條件未考慮耦合條件最大滲透坡降粘土心墻0．84610．8319滲流量粘土心墻3．81×10-74．19×10-7壩殼填土4．24×10-75．83×10-7混凝土刺墻6．75×10-86．68×10-8最大滲流速度粘土心墻0．193×10-40．242×10-4壩殼填土0．02600．0217混凝土刺墻0．682×10-50．421×10-5

從表1可以看出，未考慮耦合作用時(shí)，計(jì)算得當(dāng)不考慮應(yīng)力場(chǎng)耦合時(shí)，模型整體滲流量為6.72×10-7m3/s，單寬流量為6.72×10-9m3/s/m，其中心墻滲流量為3.21×10-7m3/s。當(dāng)考慮應(yīng)力場(chǎng)耦合效應(yīng)時(shí)，模型滲流量4.71×10-7m3/s，心墻滲流量3.29×10-7m3/s。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)設(shè)計(jì)水位和正常水位兩種工況進(jìn)行計(jì)算，可知隨著水庫(kù)水位的增加，負(fù)壓區(qū)的范圍變小，飽和區(qū)的孔隙水壓力變大；在刺墻與粘土心墻的上游接觸面上，單元的水壓力基本沒(méi)有變化，都是等于上游水頭，大部分的水頭都消失在橫向接觸面上，從整個(gè)粘土心墻的滲流矢量云圖可以看出，連接處確有繞壩滲流的現(xiàn)象發(fā)生，在平行壩軸線指向土壩的方向，滲流速度逐漸增大，并在橫向接觸面附近達(dá)到最大，并且最大的滲透坡降就發(fā)生在橫向接觸面附近。通過(guò)實(shí)例分析及有限元數(shù)值模擬與工程設(shè)計(jì)報(bào)告做對(duì)比，很好地論證了這種連接方式的可靠性與安全性。

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