塑性紅黏土混凝土控滲墻與覆蓋層蓄水期應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模擬探究

翁冰清

(江西省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院有限公司，南昌 330200)

1 案例水庫情況簡介

案例水庫為江西境內(nèi)的一處V等小(Ⅱ)型水庫樞紐工程，建筑物永久性防沖消能標(biāo)準(zhǔn)10%，洪期設(shè)計(jì)P=10%，洪期校核P=2%。壩身最高12.5 m，壩頂總長度約220 m，壩頂寬度5.0～8.0 m，壩頂不夠平整。上下游壩身坡度比例設(shè)計(jì)為1∶2。右壩略高，左壩稍低，壩頂存在交通應(yīng)用需求。區(qū)域主要為第四系及二疊系上統(tǒng)的峨眉玄武巖(P2P)組覆蓋地層。案例水庫壩身橫縱截面見圖1和圖2。

圖1 案例壩橫截面

圖2 案例壩縱截面

2 分析模型的建立

本次模擬計(jì)算分析采用鄧肯張E-B模型，模擬塑性紅黏土防滲混凝土墻、壩基蓋覆層及壩身填料。借助HyperMesh系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)模型，并導(dǎo)入ABAQUS系統(tǒng)的standard功能模塊實(shí)施有限元計(jì)算模擬?網(wǎng)絡(luò)劃分和模擬選用精密成度較大的二次C3D10M及C3D8工具，劃分單元總數(shù)為140 312個(gè)，網(wǎng)格警告率控制在0.14%以下。有限元網(wǎng)絡(luò)模型見圖3。

各部位實(shí)驗(yàn)材料主要參數(shù)見表1。

圖3 有限元網(wǎng)絡(luò)模型

表1 各位置材料實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3 基于蓄水工況的控滲墻與蓋覆層應(yīng)力應(yīng)變影響關(guān)系分析

本文選擇河谷中心縱截面作為典型縱截面，數(shù)字模擬厚0.3 m塑性紅黏土混凝土控滲墻與覆蓋層蓄水期應(yīng)力應(yīng)變協(xié)調(diào)關(guān)系。此次數(shù)字模擬中，各主應(yīng)力單位取MPa，規(guī)定以拉為正，反之取負(fù)。移位單位取cm，規(guī)定豎垂向移位以向上為正，順流向移位以向下游的移位為正。

3.1 基于水線差異的垂向形變影響關(guān)系

基于核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線的控滲墻與蓋覆層豎垂向移位云狀態(tài)圖見圖4。

基于核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線的控滲墻與蓋覆層豎垂向移位計(jì)算成果見表2。

圖4 蓄水工況控滲墻及蓋覆層豎垂向移位云狀態(tài)圖(m)

表2 厚度0.3 m控滲墻及蓋覆層豎垂向模擬計(jì)算結(jié)果 /cm

表2數(shù)據(jù)揭示，隨著水線的升高，壩身與蓋覆層的豎垂向移位對(duì)應(yīng)變大。控滲墻在死水線、常規(guī)蓄水線及核校洪期水線下，豎垂向最小移位值均出現(xiàn)在墻底，分別是-0.58、-0.67及-0.68 cm；最大移位值均出現(xiàn)在墻頂，分別是-1.84、-2.19及-2.22 cm。在水線等同高程條件下，沿著高度加增的方向，控滲墻豎垂向移位值呈加大態(tài)勢(shì)，并且于墻頂?shù)竭_(dá)最大值。在同一水線高度位置，隨著水線的降低，豎垂向移位呈對(duì)應(yīng)降低。

基于核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線的控滲墻與蓋覆層豎垂向移位曲線見圖5。

圖5 厚度0.3 m控滲墻及蓋覆層豎垂向移位曲線

圖4和圖5揭示，在核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線標(biāo)準(zhǔn)下，彈塑性紅黏土混凝土控滲墻的中部與蓋覆層豎垂向移位協(xié)調(diào)良好，之后是底部。與中部、頂部相較，因?yàn)闋砍蹲饔盟?，頂部的協(xié)調(diào)性相對(duì)稍差。底部壩身的降沉值相對(duì)略高于其兩側(cè)的蓋覆層，頂部降沉值則相對(duì)略低于兩側(cè)蓋覆層，所以壩身在垂向存在被拉伸態(tài)勢(shì)，為該控滲墻發(fā)生拱效應(yīng)提供了條件。因?yàn)閮蓚?cè)蓋覆層和墻頂?shù)撵o水壓力作用，拉伸作用在墻頂附近表現(xiàn)最為明顯，所以此處尤其需要強(qiáng)韌度抗拉校驗(yàn)。

3.2 基于水線差異的順流向形變影響關(guān)系

基于核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線的控滲墻與蓋覆層順流向移位云狀態(tài)圖見圖6。

基于核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線的控滲墻與蓋覆層順流向移位計(jì)算成果見表3。

基于核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線的控滲墻與蓋覆層順流向移位曲線見圖7。

圖6 蓄水工況控滲墻及蓋覆層順流向 移位云狀態(tài)圖(m)

表3 厚度0.3 m控滲墻及蓋覆層順流向模擬計(jì)算結(jié)果 /cm

圖7 厚度0.3 m控滲墻及蓋覆層順流向移位曲線

由圖7揭示，在常規(guī)蓄水線、核校洪期水線下，控滲墻均在1 718 m附近出現(xiàn)順流向移位最大值，最大值分別為-0.56和-0.54 cm；在墻頂出現(xiàn)最小值，分別為-0.13和-0.10 cm。順流向移位最大值在死水線下于墻底出現(xiàn)最小值，該最小值為-0.20 cm；順流向移位最大值在死水線下于1 719 m附近出現(xiàn)，該最大值為-0.72 cm。

該類控滲墻在核校洪期水線下，順流向移位的最大值在壩身中部出現(xiàn)，其值為-0.54 cm；因?yàn)楦咚^作用，在墻頂出現(xiàn)移位最小值，其值為-0.10 cm。常規(guī)蓄水線下，移位曲線規(guī)律同核校洪期大同小異，同樣在壩身中部出現(xiàn)最大值，其值為-0.56 cm；在墻頂出現(xiàn)最小值，其值為-0.13 cm。控滲墻頂部因?yàn)樗€降低，所受到的牽扯作用相對(duì)減弱，故相較核校洪期水線工況，最小值、最大值均有所加大。

相較于常規(guī)蓄水線及核校洪期水線，壩身順流向移位死水線下最大值出現(xiàn)處有升高態(tài)勢(shì)，該值為-0.72 cm，在墻底出現(xiàn)最小值為-0.20 cm。這是因?yàn)殪o水壓力在死水線作用下低于常規(guī)蓄水線及核校洪期水線，致壩身頂部緣于上游壩的牽扯作用減弱，故壩身頂部的順流向移位值在死水線下高于常規(guī)蓄水線及核校洪期水線的順流向移位值，在墻底出現(xiàn)順流向移位最小值。死水線下順流向移位協(xié)調(diào)性顯然相對(duì)優(yōu)于常規(guī)蓄水線和核校洪期水線。其中核校洪期水線下，順流向移位最大值出現(xiàn)處協(xié)調(diào)性較差。

3.3 基于水線差異的控滲墻應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析

在核校洪期水線、常規(guī)蓄水線和死水線下，控滲墻豎垂移位和順流向移位模擬計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 控滲墻豎垂向移位及順流向移位

由表4模擬計(jì)算結(jié)果得到的、基于在核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線工況下的彈塑性黏土混凝土控滲墻豎垂向移位和順流向移位曲線見圖8。

圖8 厚度0.3 m控滲墻豎垂向和順流向移位曲線

表4和圖7-圖8揭示，在死水線、常規(guī)蓄水線及核校洪期水線工況作用下，控滲墻降沉均于墻頂1 722.5 m附近出現(xiàn)最大值，分別為-1.844、-2.197及-2.227 cm，并且豎垂向移位的降沉值隨著水線的降低而伴隨對(duì)應(yīng)降低。在死水線、常規(guī)蓄水線及核校洪期水線工況作用下，控滲墻分別于1 719.5、1 718.5及1 718.5 m附近發(fā)生順流向移位，對(duì)應(yīng)值分別為-0.723、-0.563及-0.549 cm?？貪B墻頂部壩身牽扯作用因?yàn)樗€的逐漸下降而伴隨對(duì)應(yīng)加大。

在核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線下，厚度0.3 m混凝土控滲墻下游面、中心面和上游面垂向應(yīng)力的模擬計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 三水線工況三工位垂向應(yīng)力的模擬計(jì)算結(jié)果 /MPa

由表5模擬計(jì)算結(jié)果，獲得在核校洪期水線、常規(guī)蓄水線及死水線下厚0.3 m黏土彈塑性混凝土控滲墻垂向應(yīng)力特征曲線，見圖9。

圖9 蓄水工況厚度0.3 m彈塑性紅黏土混凝土控滲墻垂向應(yīng)力曲線

由圖9垂向應(yīng)力曲線揭示，沿高度變化，控滲墻內(nèi)垂向應(yīng)力對(duì)應(yīng)變化不大。在3種水線工況作用下，墻頂壓應(yīng)力均值分別為-0.262、-0.330及-0.336 MPa，墻底壓應(yīng)力均值分別為-0.518、-0.611及-0.613 MPa。在3種水線工況作用下，壩身下游面、中心面及上游面應(yīng)力分布狀態(tài)大同小異，而且上游面相對(duì)略高于中心面及下游面?？貪B墻底部與頂部的應(yīng)力均值差異不大，分別為-0.242、-0.271及-0.277 MPa，應(yīng)力均值表現(xiàn)為墻頂約為墻底的55%。垂向應(yīng)力的最大值均在壩身底部的上游面附近出現(xiàn)，并且隨著水線的下降逐漸降低，分別為-0.534、-0.624及-0.629 MPa。在死水線下，壩身頂部下游面、中心面、上游面的豎垂方向應(yīng)力值分別為-0.300、-0.278及-0.285 MPa。在常規(guī)蓄水線下，壩身頂部下游面、中心面、上游面的豎垂方向應(yīng)力值分別為-0.341、-0.357及-0.367 MPa；在核校洪期水線下，壩身頂部下游面、中心面、上游面的豎垂方向應(yīng)力值分別為-0.368、-0.377及-0.384 MPa。因?yàn)殪o水壓力較大，在常規(guī)蓄水線及核校洪期水線作用下，壩身頂部在順流向存在向下游牽扯的作用，故在常規(guī)蓄水線和核校洪期水線下該壩頂?shù)膽?yīng)力協(xié)調(diào)性相對(duì)較差。在死水線下，作用水頭較低，控滲墻靜水壓力影響減弱，壩頂部所承受得牽扯作用降低，故移位值相對(duì)較為接近。

通過相同的分析方法得知，3種水線工況下該控滲墻的小主應(yīng)力及大主應(yīng)力均以壓力為主而構(gòu)成，其中僅在山體與壩身接連處極小范圍發(fā)生了值是0.04 MPa的拉應(yīng)力，小于彈塑性紅黏土混凝土0.19 MPa的抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值。大主應(yīng)力的最大值分別為-0.058、-0.062及-0.064 MPa，小主應(yīng)力的最大值分別為-0.527、-0.613及-0.62 MPa。控滲墻最小主應(yīng)力的最大值為-0.62 MPa，低于案例工程實(shí)驗(yàn)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值1.69 MPa。所以，控滲墻的局部受拉區(qū)及受壓都處于安全值范圍，在不同水線工況作用下，厚度0.3 m的彈塑性紅黏土混凝土控滲墻發(fā)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)性極低。

4 結(jié) 語

本文參考工程案例實(shí)用數(shù)據(jù)，借助典型截面有限元模擬分析的方式，對(duì)塑性紅黏土控滲混凝土基墻與覆蓋層蓄水期應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行數(shù)理模擬分析：①采用鄧肯張E-B模型，借助HyperMesh和ABAQUS，建立塑性紅黏土混凝土控滲墻與覆蓋層蓄水期應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系數(shù)理模擬技術(shù)模型；②基于數(shù)理模型和蓄水工況，對(duì)塑性紅黏土混凝土控滲墻與蓋覆層進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變影響關(guān)系計(jì)算和分析；③該控滲墻的小主應(yīng)力及大主應(yīng)力均以壓力為主而構(gòu)成，3種水線工況下，該控滲墻與蓋覆層垂向和順流向應(yīng)力應(yīng)變影響關(guān)系以及3種水線工況和3種工位的最小和最大主應(yīng)力極值均在安全規(guī)范值范圍內(nèi)，故厚度0.3 m的彈塑性紅黏土混凝土控滲墻發(fā)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)性極低。