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    深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩壩基廊道應(yīng)力變形規(guī)律影響因素研究

    2018-05-29 03:35:41白新革何蘊(yùn)龍邢麗曼
    中國農(nóng)村水利水電 2018年5期
    關(guān)鍵詞:橫河覆蓋層河谷

    白新革,何蘊(yùn)龍,邢麗曼,王 競(jìng)

    (1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072;2. 珠海華發(fā)實(shí)業(yè)股份有限公司,廣東 珠海 519020)

    0 引 言

    近年來,越來越多的高心墻土石壩建立在深厚覆蓋層上,廊道—防滲墻型式的防滲系統(tǒng)也應(yīng)用得比較廣泛,已采用類似連接形式的工程有長河壩水電站、磽磧水電站、瀑布溝水電站、金平水電站工程等[1]。然而,目前對(duì)心墻壩壩基廊道的應(yīng)力變形的深入研究分析卻并不多,在用有限元法進(jìn)行土石壩結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí),有必要對(duì)廊道及其周邊應(yīng)力變形規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析。由于覆蓋層結(jié)構(gòu)松散,壓縮性大,對(duì)壩基廊道應(yīng)力變形的影響不容忽視。廊道的跨度隨河谷寬度變化而變化,尤其是廊道河床段的應(yīng)力變形產(chǎn)生較大影響。廊道兩岸巖臺(tái)擱置段長度不同時(shí),兩岸約束作用也隨之改變,從而對(duì)廊道,尤其是兩岸巖臺(tái)邊緣附近的應(yīng)力變形規(guī)律,產(chǎn)生一定影響。本文分別對(duì)這三個(gè)工程條件對(duì)壩基廊道應(yīng)力變形的影響展開詳細(xì)分析。

    1 典型壩型概況

    西南地區(qū)某瀝青混凝土心墻堆石壩,壩高100 m。大壩防滲系統(tǒng)由瀝青混凝土心墻、壩基廊道及防滲墻組成,廊道與防滲墻的連接采用剛性接頭,廊道斷面采用城門洞型,內(nèi)尺寸3 m×3.5 m,外尺寸6 m×8 m,河床段長約150 m,廊道左、右岸深入基巖,分別形成長10 m的巖臺(tái)段。覆蓋層厚60 m,壩基混凝土防滲墻厚1.2 m,采用全封閉防滲。

    2 計(jì)算原理和模型

    2.1 子模型法

    堆石壩壩基防滲系統(tǒng)中存在廊道與心墻、防滲墻、壩肩灌漿平洞的接頭等多個(gè)細(xì)部構(gòu)造,這些部位構(gòu)造尺寸與大壩整體尺寸相差懸殊,材料分區(qū)也較為復(fù)雜,將其與大壩整體同時(shí)進(jìn)行有限元分析具有一定的計(jì)算難度,因此本文采用了子模型法進(jìn)行計(jì)算分析。

    子模型方法又稱切割邊界位移法,該方法基于圣維南原理,先進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的分析,之后在整體模型中切割出一塊區(qū)域重新進(jìn)行計(jì)算,區(qū)域邊界條件采用整體模型中相應(yīng)位置的位移計(jì)算結(jié)果[2]。

    有限元計(jì)算方程組為:

    (1)

    把它展開,即得:

    K12δ2=F1-K11δ1

    (2)

    K22δ2=F2-K21δ1

    (3)

    式中:K為總剛度矩陣;δ為待求的位移分量;F為外荷載向量。由此知,特定的位移δ1可作為求未知的δ2的已知條件。根據(jù)此原理,子模型技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)切割出來的細(xì)部進(jìn)行網(wǎng)格加密,然后單獨(dú)計(jì)算,整體模型為子模型提供邊界上位移約束,滿足了計(jì)算精確度的要求。

    2.2 接觸面模型

    本文在模擬不同材料的分界面時(shí),例如廊道兩岸平洞接縫、防滲墻周邊泥皮、殘?jiān)炔捎帽訂卧2捎肧.C. Bandis巖石節(jié)理法向變形雙曲線模型來確定薄層單元法向應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系[3,4]:

    (4)

    式中:δn為法向正應(yīng)力;ΔVj為法向變形;a為1/Kni;a/b為應(yīng)力、應(yīng)變雙曲線漸近線,即法向最大壓縮量Vm,法向彈模表達(dá)式為:

    (5)

    采用Clough剪切雙曲線模型來確定薄層單元切向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系:

    (6)

    式中:τ為切向剪應(yīng)力;dh為剪切破壞前剪切變形;常數(shù)n為τ-dh雙曲線水平漸近線的倒數(shù);常數(shù)m為初始剪切剛度的倒數(shù),按Mohr-Coulomb定律計(jì)算τp=C-tanφ·σn可得切向彈模表示如式:

    2.3 有限元模型及相關(guān)參數(shù)

    圖1為有限元整體模型和子模型,整體模型上、下游側(cè)邊界距壩坡均為1倍壩高;左右岸距壩肩均1倍的壩高,底部施加全約束,四周施加法向約束,整體模型共有18 132個(gè)結(jié)點(diǎn),15 938個(gè)單元。壩基廊道有限元子模型的邊界上、下游距壩軸線均為40.0 m;從河床段壩底高程1 400 m垂直向上35.60 m,垂直向下距壩底40.0 m;兩岸岸坡取至基巖范圍,包含19 955個(gè)結(jié)點(diǎn),18 592個(gè)單元。

    圖1 三維有限元模型實(shí)體網(wǎng)格圖Fig.1 Finite element mesh model

    混凝土和基巖均采用線彈性模型,廊道混凝土和防滲墻混凝土彈性模量均為30 GPa,泊松比均為0.167,混凝土密度均為2 400 kg/m3。壩體材料及覆蓋層的本構(gòu)關(guān)系采用Duncan-Chang雙曲線E-μ模型[4],其材料參數(shù)見表1,接觸面節(jié)理單元參數(shù)見表2。Duncan模型參數(shù)由三軸試驗(yàn)獲得,混凝土與泥皮的接觸面參數(shù)主要由直剪試驗(yàn)所得,其他接觸面參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)選取。

    3 壩基廊道應(yīng)力變形影響因素規(guī)律研究

    根據(jù)同類工程資料,在不同工程條件下,壩基廊道表現(xiàn)出不同的應(yīng)力變形規(guī)律,本文分別針對(duì)覆蓋層厚度、河谷寬度和廊道兩岸擱置段長度三個(gè)工程條件對(duì)壩基廊道應(yīng)力變形的影響展開詳細(xì)分析[5-10],典型剖面示意圖如圖2所示。

    表1 E-μ模型參數(shù)Tab.1 Material parameters of the E-μ model

    表2 接觸面參數(shù)Tab.2 Material parameters of contact elements

    圖2 典型剖面示意圖Fig.2 positions of typical gallery profile 注:1剖面為廊道中央剖面,2剖面為廊道河床段剖面,也即約廊道靠右岸1/6跨剖面,3剖面為廊道右岸巖臺(tái)邊緣剖面,4剖面為廊道右岸巖臺(tái)中央剖面。

    3.1 典型壩型壩基廊道應(yīng)力變形規(guī)律分析

    壩基廊道整體變形圖如圖3所示,典型剖面應(yīng)力圖如圖4所示,其中圖4(a)~圖4(b)表示廊道中央剖面,圖4(d)~圖4(f)表示廊道靠近右岸1/6跨的剖面。

    圖3 廊道變形圖(變形放大50倍)Fig.3 deformation diagram of gallery(Magnified 50 times)

    廊道在上游水荷載、自重以及上覆土壓力的作用下向下游發(fā)生撓曲,同時(shí)豎直向下?lián)锨?,整體變形從兩岸到河床中央逐漸增大,最大值出現(xiàn)在河床中央,左右兩邊變形基本對(duì)稱。

    廊道中央剖面橫河向基本全面受壓,上游側(cè)壓應(yīng)力相比下游側(cè)壓應(yīng)力偏大,壓應(yīng)力極值出現(xiàn)在上游側(cè)外邊墻頂部。在順河向,廊道頂拱和底板出現(xiàn)受拉區(qū),拉應(yīng)力極值發(fā)生在底板內(nèi)側(cè),壓應(yīng)力極值發(fā)生在頂拱外側(cè)。豎直向呈受壓狀態(tài),壓應(yīng)力極值出現(xiàn)在下游側(cè)內(nèi)邊墻中部。

    圖4 典型剖面正應(yīng)力(左側(cè)為上游側(cè) 單位:MPa)Fig.4 stresses of typical gallery profiles(upstream on the left)

    在河床段剖面,橫河向基本受壓,壓應(yīng)力極值位于廊道頂拱外側(cè)靠近上游的部位,只在下游側(cè)外邊墻底部,出現(xiàn)小范圍拉應(yīng)力,這是廊道發(fā)生撓曲時(shí)下游側(cè)土的反力造成的。順河向正應(yīng)力和豎直向正應(yīng)力分布規(guī)律與中央剖面應(yīng)力分布規(guī)律基本一致,但應(yīng)力極值有所減小。廊道在兩岸巖臺(tái)邊緣處發(fā)生彎曲,故此處橫河向正應(yīng)力在上游側(cè)發(fā)生拉應(yīng)力集中而在下游側(cè)發(fā)生壓應(yīng)力集中。

    3.2 覆蓋層厚度對(duì)壩基廊道應(yīng)力變形影響

    由于覆蓋層結(jié)構(gòu)松散,壓縮性大,對(duì)壩基廊道應(yīng)力變形的影響不容忽視,根據(jù)已建壩基防滲采用廊道—防滲墻型式高土石壩的覆蓋層厚度統(tǒng)計(jì)[5,6],本文選取覆蓋層厚度分別為40、60、80、100 m的4種方案進(jìn)行分析,示意圖如圖5所示。

    壩基廊道應(yīng)力變形隨覆蓋層厚度變化曲線如圖6所示。

    影響規(guī)律分析如下。

    (1)覆蓋層為100 m時(shí)的廊道順河向位移極值為21.67 cm,相比覆蓋層為40 m時(shí)16.24 cm增加33.4%;豎直向沉降極值為-14.33 cm,與覆蓋層為40 m時(shí)-9.48 cm相比增加51.2%;橫河向向左、右岸水平位移分別增加53.9%、54.3%。各方向位移增長幅度較大,但增速隨覆蓋層厚度增加逐漸趨于平緩。

    圖5 不同覆蓋層厚度橫剖面示意簡(jiǎn)圖Fig.5 Sketch map of cross section corresponding to different overburden thickness

    圖6 廊道位移和應(yīng)力極值隨覆蓋層厚度變化曲線Fig.6 Variation curves of gallery displacement and stress extreme value with overburden depth

    這主要是由于覆蓋層屬于柔性材料,壓縮性較大,覆蓋層越厚,基礎(chǔ)越軟弱,廊道豎直向沉降就越大。防滲墻也隨覆蓋層的加厚而加深,受到的上游水壓力也越大,故順河向變形增大。在覆蓋層向下加厚的過程中,覆蓋層增加的部分離廊道越來越遠(yuǎn),故覆蓋層厚度的增加對(duì)廊道沉降變形的影響越來越小,且增加部分河谷越來越窄,對(duì)防滲墻約束作用越來越大,而廊道與防滲墻之間剛性連接,導(dǎo)致變形最大值增長變緩。

    (2)覆蓋層從40 m逐漸加厚至100 m時(shí),廊道中央剖面各個(gè)方向應(yīng)力分布規(guī)律基本不變,只是應(yīng)力值有所增大,橫河向壓應(yīng)力極值增長了74.4%,增長速度逐漸變慢,而順河向與豎直向正應(yīng)力增長幅度均比較小。因此,覆蓋層厚度的變化對(duì)廊道中央剖面順河向和豎直向正應(yīng)力的影響不大,但對(duì)橫河向正應(yīng)力影響較大。

    這是由于隨著覆蓋層加厚,廊道中間段受力增大,順河向及豎直向撓曲增大,導(dǎo)致中央剖面應(yīng)力極值增大。隨著覆蓋層加厚,覆蓋層增加部分距離廊道越來越遠(yuǎn),故對(duì)其影響越來越?。磺以黾硬糠趾庸刃螤钪饾u變窄,基巖對(duì)防滲墻的約束作用逐漸加強(qiáng),防滲墻的變形受到一定限制,從而與防滲墻剛性連接的廊道,撓曲變形的增大速度也減緩,故中央剖面應(yīng)力極值的增長逐漸變慢。

    (3)對(duì)于廊道靠右岸1/6跨剖面,在覆蓋層從40 m逐漸加厚至100 m過程中,橫河向應(yīng)力變化較大,下游側(cè)外邊墻底部應(yīng)力由2.06 MPa的拉應(yīng)力變?yōu)?0.31 MPa的壓應(yīng)力,減小了115.0%,頂拱外側(cè)的橫河向壓應(yīng)力極值增大了41.7%;順河向和豎直向應(yīng)力增長幅度均比較小。由此知,廊道河床段剖面順河向和豎直向正應(yīng)力對(duì)覆蓋層厚度的變化不敏感,但該剖面橫河向正應(yīng)力受覆蓋層厚度影響較大。隨著覆蓋層加厚,橫河向正壓應(yīng)力極值有一定增大,而廊道河床段下游側(cè)反彎段拉應(yīng)力區(qū)域逐漸減小。這是由于覆蓋層越厚,上游水壓力也越大,廊道凸向下游發(fā)生的彎曲程度越大,下游側(cè)土的反力隨之增大,但土的反力增加程度沒有向下游作用力增加程度大,故河床段下游側(cè)受拉區(qū)域逐漸減小。

    3.3 河谷寬度對(duì)壩基廊道應(yīng)力變形的影響

    由于廊道的跨度隨河谷寬度變化而變化,故河谷寬度會(huì)對(duì)壩基廊道,尤其是河床段的應(yīng)力變形產(chǎn)生較大影響。本文選取了以下5種方案進(jìn)行分析:河谷寬度分別為80、150、200、250、300 m(圖7)。

    計(jì)算結(jié)果如圖8~圖9所示。計(jì)算結(jié)果分析如下。

    (1)河谷寬為300 m時(shí)的順河向位移為26.67 cm,極值相比河谷寬為80 m時(shí)10.18 cm增加了162.0%,豎直向沉降為15cm,相比于河谷寬為80 m時(shí)6.33 cm增加了137.0%,橫河向向左、右岸水平位移分別增加了124.5%、124.9%。從整體上看,河谷寬度增加過程中各方向位移極值有了明顯增長,尤其是順河向水平位移,增長幅度最大。這是由于河谷寬度增大后,受到更大的上覆土壓力、自重及水壓力作用,導(dǎo)致廊道變形增大。同時(shí),隨著河谷寬度不斷增大,廊道各方向位移極值增長速度在漸漸變緩。這是由于河床段越長,廊道中間部分的變形分布越均勻,越來越趨近于一條直線,極值的增長也就越來越慢。

    圖7 不同河谷寬度縱剖面簡(jiǎn)圖(單位:m)Fig.7 Schematic diagram of longitudinal profile of different Valley width

    圖8 廊道中央剖面橫河向正應(yīng)力 (左側(cè)為上游側(cè) 單位:MPa)Fig.8 longitudinal tensile stress diagram of central section of gallery

    圖9 廊道位移和應(yīng)力極值隨河谷寬度變化曲線Fig.9 Variation curves of gallery displacement and stress extremum with valley width

    (2)河谷寬度不同時(shí),廊道中央剖面順河向及豎直向正應(yīng)力分布規(guī)律基本不變,極值增長幅度較小。橫河向正應(yīng)力分布規(guī)律發(fā)生變化,河谷寬度為80 m時(shí),中央剖面橫河向壓應(yīng)力值從上游側(cè)到下游側(cè)越來越小,最大值出現(xiàn)在上游側(cè)外邊墻頂部,為-21.43 MPa,在下游側(cè)外邊墻底部出現(xiàn)小面積受拉區(qū),拉應(yīng)力極值為4.49 MPa。隨著河谷寬度的增大,中央剖面橫河向壓應(yīng)力極值逐漸減小,橫河向受拉區(qū)也逐漸消失,在河谷寬度達(dá)到150 m及以上的方案中,橫河向正應(yīng)力全部為壓應(yīng)力。河谷寬度達(dá)到250 m時(shí),橫河向壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在廊道頂拱外側(cè)略靠上游處,最小值出現(xiàn)在廊道底板內(nèi)側(cè)中央部位;河谷寬度達(dá)到300 m時(shí),橫河向壓應(yīng)力最大值為-9.15 MPa,位于下游側(cè)內(nèi)邊墻中部,最小值為-5.73 MPa,位于廊道底板內(nèi)側(cè)略靠上游處。

    (3)在河谷寬僅為80 m時(shí),廊道河床段并沒有出現(xiàn)反彎段,河床段橫河向拉應(yīng)力極值出現(xiàn)在中央剖面,距右岸巖臺(tái)40 m。在河谷寬大于150 m時(shí),河床段均在靠近巖臺(tái)處出現(xiàn)反彎段,產(chǎn)生小范圍的拉應(yīng)力集中區(qū)。河谷寬度為150 m時(shí),廊道河床段橫河向拉應(yīng)力極值位于距右岸巖臺(tái)約1/6跨剖面;河谷寬為200 m時(shí),橫河向拉應(yīng)力極值位于距右岸巖臺(tái)約1/7跨剖面;河谷寬為250 m時(shí),橫河向拉應(yīng)力極值位于距右岸巖臺(tái)約1/8跨剖面;河谷寬為300 m時(shí),橫河向拉應(yīng)力極值位于距右岸巖臺(tái)約1/9跨剖面。

    河谷寬度從80 m增加到300 m過程中,河床段剖面各方向正應(yīng)力分布規(guī)律變化不大,極值均有所減小,廊道河床段橫河向拉應(yīng)力極值位置從距右岸約1/6跨剖面向右岸橫移,拉應(yīng)力值變化較大,減小了93.3%,橫河向壓應(yīng)力極值變化幅度稍小,減小了49.4%;順河向拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及豎直向壓應(yīng)力極值變化幅度均比較小。由此知,廊道河床段順河向和豎直向正應(yīng)力對(duì)河谷寬度的變化不敏感,但該剖面橫河向應(yīng)力受河谷寬度影響較大。

    3.4 兩岸擱置段長度對(duì)壩基廊道應(yīng)力變形的影響

    廊道兩岸巖臺(tái)擱置段長度不同時(shí),兩岸約束作用也隨之改變,從而對(duì)廊道,尤其是兩岸巖臺(tái)邊緣附近的應(yīng)力變形規(guī)律,產(chǎn)生一定影響,本文選取兩岸擱置段長度分別為2、5、10、15、20 m 5種方案進(jìn)行分析(圖10)。

    圖10 不同擱置段長度縱剖面簡(jiǎn)圖(單位:m)Fig.10 Schematic diagram of longitudinal section with different length

    計(jì)算結(jié)果如圖11所示。計(jì)算結(jié)果分析如下。

    圖11 廊道位移和應(yīng)力極值隨擱置段長度變化曲線Fig.11 Variation curves of gallery displacement and stress extremum with different length

    (1)隨著擱置段長度不斷增大,各方向的位移極值整體稍有減小,但變化并不明顯。擱置段長為20 m時(shí)的順河向位移極值相比擱置段為2 m時(shí),減小了0.2%;擱置段長為20 m時(shí)的豎直向沉降,相比于擱置段為2 m時(shí),減小了3.9%,橫河向向左岸、右岸水平位移分別減小了22.0%、22.4%。這是由于兩岸擱置段越長,則巖臺(tái)越長,兩岸基巖的約束作用越大,從而各方向的位移受到一定限制而略有減小。從整體上看,兩岸擱置段長度從2 m增加到20 m過程中,各方向位移極值變化幅度很小,尤其是順河向和豎直向位移極值,基本保持不變。故廊道兩岸擱置段長度的變化對(duì)廊道整體的變形影響不大。

    (2)隨著擱置段增長,橫河向拉應(yīng)力及第一主應(yīng)力出現(xiàn)的位置不變,均在右岸巖臺(tái)邊緣剖面的上游側(cè)底部,應(yīng)力極值先急劇增大,然后略有減小。擱置段為15 m時(shí)的橫河向拉應(yīng)力及第一主應(yīng)力極值達(dá)到最大值,相比擱置段為2 m時(shí)應(yīng)力極值增長幅度最大,分別增長了41.6%和41.5%,擱置段增加到20 m長時(shí),應(yīng)力極值稍有降低。橫河向壓應(yīng)力和第三主應(yīng)力均出現(xiàn)在右岸巖臺(tái)邊緣剖面的下游側(cè)底部,擱置段為20 m時(shí)的應(yīng)力極值,相比擱置段為2 m時(shí)應(yīng)力極值增長幅度最大,分別增長了53.9%和16.5%。由此可知,廊道兩岸擱置段長度的變化對(duì)廊道整體橫河向拉應(yīng)力、壓應(yīng)力及第一主應(yīng)力拉應(yīng)力極值均有較大的影響。這是由于當(dāng)巖臺(tái)擱置段長度增長時(shí),兩岸基巖的約束作用增大,擱置段受力變大。

    4 結(jié) 語

    本文重點(diǎn)探討了覆蓋層厚度、河谷寬度以及兩岸巖臺(tái)擱置段長度對(duì)壩基廊道應(yīng)力變形的影響,對(duì)比分析,主要結(jié)論如下:

    (1)隨著覆蓋層厚度的不斷增大,廊道應(yīng)力變形分布規(guī)律、極值出現(xiàn)位置基本不變,但極值變化較大。廊道整體各方向變形極值均不斷增大,但增長速率逐漸減小。對(duì)于廊道中央剖面,各方向正應(yīng)力極值不斷增長,但增長速率逐漸變小。對(duì)于廊道靠右岸1/6跨剖面,橫河向正應(yīng)力拉應(yīng)力極值減小較大,壓應(yīng)力極值增大,順河向及豎直向正應(yīng)力的極值基本不變。工程建設(shè)中應(yīng)根據(jù)覆蓋層的具體厚度,對(duì)廊道配筋進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,尤其應(yīng)注重1/6跨廊道下游側(cè)底部縱筋配置。

    (2)河谷寬度的增大對(duì)廊道應(yīng)力變形影響較大。廊道各方向位移極值不斷增大,但增長速度趨于變緩,廊道中央附近的變形越來越接近一條直線。對(duì)于廊道中央剖面,橫河向正應(yīng)力在剖面上的分布越來越均勻,應(yīng)力值減小 較大,其中拉應(yīng)力變成了壓應(yīng)力。順河向及豎直向正應(yīng)力分布規(guī)律基本不變,應(yīng)力極值增長幅度也較小。對(duì)于廊道河床段橫河向拉應(yīng)力極值剖面,雖然在不同河谷寬度時(shí),此剖面出現(xiàn)的位置有所不同,但均出現(xiàn)在距離巖臺(tái)約25~40m處。

    (3)兩岸擱置段的長度增大對(duì)整體應(yīng)力影響較大,而對(duì)廊道整體變形影響較小。擱置段越長,兩岸巖臺(tái)約束作用越強(qiáng),巖臺(tái)邊緣處的彎曲變形越明顯。在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)盡量避免把廊道過長地放置在兩岸巖臺(tái)上。

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