接觸面特性對(duì)面板堆石壩應(yīng)力變形的影響性研究

李 斌，劉雙華，楊昕光，孟憲磊，王艷麗

（1.國(guó)網(wǎng)新源河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北省武漢市 430010）

0 引言

在抽水蓄能電站中，一般采用施工方便、造價(jià)低廉、運(yùn)行可靠的混凝土面板堆石壩作為擋水建筑物。由于混凝土面板與墊層料模量相差較大，這種材料特性的差異使得在兩者交界面形成了一定厚度、不同于一般土體的區(qū)域，稱之為接觸面。在壩體填筑、蓄水或地震過(guò)程中，由于面板與墊層的接觸作用，兩者之間容易出現(xiàn)剪切滑動(dòng)或者脫開(kāi)，引起面板發(fā)生擠壓破壞或脫空現(xiàn)象[1，2]。因此，接觸面力學(xué)特性對(duì)面板堆石壩的安全性均存在重要影響。

鑒于接觸面特性對(duì)結(jié)構(gòu)物的受力變形有重要影響，合理模擬土與結(jié)構(gòu)間的受力和變形是十分重要的。通過(guò)對(duì)接觸面力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果的分析，研究者們提出了許多本構(gòu)模型來(lái)模擬接觸面的力學(xué)特性[3-7]，如彈性非線性模型、彈塑性模型及損失模型等。目前，Clough和Duncan提出的雙曲線接觸面本構(gòu)模型[3]由于其簡(jiǎn)單方便、經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)點(diǎn)仍是應(yīng)用最為廣泛的模型。張丙印等[8]采用Clough和Duncan的接觸面雙曲線本構(gòu)模型，分別將混凝土面板和堆石體當(dāng)作獨(dú)立的可變形接觸體，并研究了高面板堆石壩面板脫空問(wèn)題。張嘎和張建民[9]基于接觸面彈塑性損傷模型對(duì)面板堆石壩應(yīng)力變形特性進(jìn)行了研究，表明所建立的損傷模型能夠較好地描述粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的靜動(dòng)力學(xué)特性。岑威鈞和李星[10]對(duì)混凝土面板堆石壩數(shù)值分析中的接觸面模型進(jìn)行了較為全面的總結(jié)，并評(píng)析了各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)。劉京茂等[11，12]建立了一種可考慮三維效應(yīng)以及剪脹（縮）等特性的廣義塑性接觸面模型，并應(yīng)用于面板堆石壩的靜、動(dòng)力有限元分析中。

在混凝土面板澆筑前，通常在墊層料外表面噴涂乳化瀝青，以減小擠壓邊墻與混凝土面板之間的約束作用及減少面板裂縫的發(fā)生。乳化瀝青的存在勢(shì)必會(huì)影響接觸界面的力學(xué)特性，使得界面兩側(cè)材料的荷載分擔(dān)比例發(fā)生變化。然而，目前對(duì)噴涂乳化瀝青前后接觸面的力學(xué)特性及乳化瀝青對(duì)減小接觸面摩擦力的作用程度研究較少，有必要研究噴涂乳化瀝青前后的力學(xué)特性并分析接觸面力學(xué)特性對(duì)面板堆石壩應(yīng)力變形的影響。本文在前人研究基礎(chǔ)之上，依托某抽水蓄能電站工程，根據(jù)接觸面剪切特性試驗(yàn)成果，采用數(shù)值分析方法研究了噴涂乳化瀝青前后接觸面力學(xué)特性對(duì)面板堆石壩應(yīng)力變形的影響，以期為該類型混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行提供參考和依據(jù)。

1 工程概況

某抽水蓄能電站規(guī)劃裝機(jī)規(guī)模3600MW，分兩期建設(shè)，每期裝機(jī)容量1800MW，具有周調(diào)節(jié)性能。電站樞紐由上水庫(kù)、下水庫(kù)、水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)等部分組成。上水庫(kù)擋水建筑物采用鋼筋混凝土面板堆石壩，大壩最大壩高120.3m，壩頂高程1510.3m，軸線長(zhǎng)度556.0m，上、下游壩坡均采用1：1.4，上水庫(kù)正常蓄水位1505.00m，死水位1460.00m，壩體填筑材料選用上水庫(kù)進(jìn)/出水口開(kāi)挖石料，料場(chǎng)儲(chǔ)量豐富，可滿足工程要求。上水庫(kù)面板堆石壩典型剖面圖見(jiàn)圖1。

2 計(jì)算模型與參數(shù)

圖1 上水庫(kù)面板堆石壩典型剖面圖Fig.1 Diagram for CFRD of upper reservoir

根據(jù)大壩設(shè)計(jì)剖面圖建立三維有限元計(jì)算模型，采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元或者6節(jié)點(diǎn)五面體單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，局部采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元，并在混凝土與土之間設(shè)置接觸面，共剖分50608個(gè)單元，有限元計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite element model

壩體和覆蓋層的靜力本構(gòu)模型采用鄧肯E-B模型[13，14]，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。混凝土面板采用線彈性模型，密度取2.40g/cm3，彈性模量為30GPa，泊松比為0.18。止水縫材料采用鄒德高等提出的接縫簡(jiǎn)化模型[15]，具體參數(shù)見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。

表1 E-B模型計(jì)算參數(shù)Tab.1 Parameters of Duncan-Chang E-B model

根據(jù)大壩實(shí)際的填筑順序及運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，共分為25級(jí)加載步模擬壩體的施工填筑，1個(gè)加載步模擬混凝土面板澆筑，4個(gè)加載步模擬蓄水，4級(jí)加載步模擬蓄水。計(jì)算時(shí)，每級(jí)加載又分5個(gè)增量步，并采用中點(diǎn)增量法，以反映材料的非線性特性。

3 接觸面模型與參數(shù)

采用ABAQUS中的罰函數(shù)接觸算法進(jìn)行接觸模擬。接觸面切向模型采用Clough和Duncan提出的非線性彈性本構(gòu)模型[3]；法向模型采用采用ABAQUS中的硬接觸，即兩物體只有在壓緊狀態(tài)時(shí)才能傳遞法向壓力，若兩物體之間有間隙時(shí)不傳遞法向壓力。

Clough和Duncan認(rèn)為剪應(yīng)力和相對(duì)剪切位移存在雙曲線關(guān)系，即剪切應(yīng)力τ與剪切位移ωs之間存在雙曲線模式即：

式中：a、b為反映接觸面性質(zhì)的兩個(gè)參數(shù)。經(jīng)進(jìn)一步推導(dǎo)，對(duì)于三維問(wèn)題，兩個(gè)切線方向的剛度分別為：

式中：Kyx、Kyx均為切向剪切模量系數(shù)；γw為水容重；Pa為大氣壓強(qiáng)；σy為接觸面法向應(yīng)力；τyx、τyz均為接觸面上的剪應(yīng)力；Rf、K1、n為接觸面非線性指標(biāo)，可由試驗(yàn)求得，分別為破壞比、接觸面彈性模量系數(shù)及指數(shù)；δ、c0分別是接觸面的界面摩擦角與黏聚力。

采用自主研制的大型低摩阻疊環(huán)式雙向靜動(dòng)剪切試驗(yàn)機(jī)，考慮面板與墊層間噴和不噴涂乳化瀝青情況，進(jìn)行了混凝土面板與墊層料之間的大型剪切試驗(yàn)，研究了墊層料與混凝土面板接觸面的力學(xué)特性并確定了模型參數(shù)，具體見(jiàn)表2。

表2 接觸面模型計(jì)算參數(shù)Tab.2 Parameters of interface model

由表2可知，涂乳化瀝青（方案2）與不涂乳化瀝青（方案1）相比，由于接觸面相對(duì)光滑，其非線性指標(biāo)K1和界面摩擦角δ均有較大程度降低。

4 大壩應(yīng)力變形分析

4.1 壩體應(yīng)力變形分析

表3為面板與墊層料接觸面涂乳化瀝青（方案1）和不涂乳化瀝青（方案2）下壩體在完建期和滿蓄期的應(yīng)力、變形最大值統(tǒng)計(jì)表。

表3 壩體應(yīng)力及變形最大值計(jì)算結(jié)果Tab.3 Maximum results of the stress and deformation of dam

當(dāng)采用方案2，即接觸面不涂乳化瀝青時(shí)，壩體在完建期和滿蓄期的應(yīng)力變形情況均較方案1，即接觸面涂乳化瀝青時(shí)無(wú)明顯變化，說(shuō)明接觸面特性對(duì)壩體應(yīng)力變形無(wú)明顯影響。當(dāng)采用方案1時(shí)，滿蓄期壩體沉降最大值為0.815m，約占?jí)胃叩?.68%，位于大壩中部高程位置。同時(shí)，壩體水平向上、下游水平位移最大值分別為0.092m和0.303m。此時(shí)大、小主應(yīng)力最大值分別為2.150MPa和0.692MPa，位于大壩中軸線底部位置。壩體滿蓄期位移等值線見(jiàn)圖3，應(yīng)力等值線見(jiàn)圖4。

圖3 壩體滿蓄期位移等值線圖Fig.3 Deformation contours of dam in the reservoir filling stage

圖4 壩體滿蓄期應(yīng)力等值線圖Fig.4 Stress contours of dam in the reservoir filling stage

4.2 面板應(yīng)力變形分析

表4為方案1和方案2下面板在完建期和滿蓄期的應(yīng)力、變形最大值統(tǒng)計(jì)表。

圖5和圖6為采用方案1時(shí)面板在滿蓄時(shí)的變形和應(yīng)力分布等值線云圖。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采用方案1時(shí)，蓄水后，由于上游水壓力的作用，且面板中間部位所受約束較小，因此使得面板中下部的撓度變形最大，此時(shí)面板法向撓度最大值為24.8cm，壩軸向左、右岸水平位移最大值分別為2.3cm和2.6cm。從應(yīng)力分布來(lái)看，滿蓄期面板基本處于受壓狀態(tài)。順坡向最大壓應(yīng)力為4.39MPa，位于面板中下部；拉應(yīng)力主要分布在其底部及邊緣位置處，最大拉應(yīng)力為-2.43MPa。面板壩軸向最大壓應(yīng)力為7.27MPa，出現(xiàn)在其中央部位；最大拉應(yīng)力為-1.04MPa，出現(xiàn)在其兩側(cè)的邊緣位置。

表4 面板應(yīng)力及變形最大值計(jì)算結(jié)果Tab.4 Maximum results of the stress and deformation of face slab

圖5 面板蓄水期變形等值線云圖Fig.5 Deformation contours of face slab in the reservoir filling stage

圖6 面板滿蓄期應(yīng)力等值線云圖Fig.6 Stress contours of face slab in the reservoir filling stage

當(dāng)采用方案2時(shí)，面板變形較方案1幾乎無(wú)變化，僅應(yīng)力較方案1有所改變。此時(shí)順坡向壓應(yīng)力和拉應(yīng)力最大值分別為4.46MPa和-2.89MPa，較方案1分別增加1.59%和23.50%；壩軸向壓應(yīng)力和拉應(yīng)力最大值分別為7.29MPa和-1.19MPa，較方案1分別增加0.28%和14.42%。說(shuō)明當(dāng)涂乳化瀝青時(shí)，對(duì)減小面板拉應(yīng)力，改善其受力狀態(tài)有一定作用。

4.3 止水縫變形

當(dāng)采用方案1和方案2時(shí)，止水縫在滿蓄期的變位最大值統(tǒng)計(jì)表如表5所示。

表5 止水縫變位最大值統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Maximum results of the stress and deformation of sealed joint

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采用方案2時(shí)，止水縫相對(duì)位移較方案1變化不大，說(shuō)明接觸面特性對(duì)止水縫變形幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)采用方案1時(shí)，在滿蓄工況下垂直縫沉陷、剪切、壓縮和張開(kāi)的最大位移值分別為5.6mm、9.1mm、5.4mm和13.4mm；周邊縫沉陷、剪切、壓縮和張拉的最大位移值分別為30.1mm、14.3mm、0.2mm和25.1mm，量值均在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

依托我國(guó)某抽水蓄能電站工程，采用數(shù)值分析手段，開(kāi)展了噴涂乳化瀝青前后接觸面力學(xué)特性對(duì)面板堆石壩應(yīng)力變形的影響性研究，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）與無(wú)保護(hù)接觸面相比，噴涂乳化瀝青的接觸面非線性指標(biāo)K1及強(qiáng)度指標(biāo)均有大幅度降低，乳化瀝青形成了完整的過(guò)渡層來(lái)隔離墊層料和混凝土面板的直接接觸，并起到很好的阻隔—潤(rùn)滑效果。

（2）由計(jì)算分析可知，墊層料與混凝土面板接觸面力學(xué)特性對(duì)面板應(yīng)力存在一定影響，對(duì)大壩應(yīng)力變形及止水縫變形均無(wú)明顯影響。當(dāng)接觸面涂抹乳化瀝青時(shí)，面板順河向和壩軸向拉應(yīng)力有所降低，說(shuō)明接觸面涂乳化瀝青對(duì)減小面板拉應(yīng)力，改善其受力狀態(tài)有一定作用。

（3）在工程實(shí)際中，建議在混凝土面板和墊層間涂抹一定厚度的乳化瀝青，可起到減小混凝土拉應(yīng)力，減少裂縫，改善面板工作環(huán)境的作用。