基于Drucker-Prager模型的泥化夾層地基混凝土重力壩壩基應(yīng)力分析

周懷瑜

摘 要：目前國內(nèi)外重力壩發(fā)展迅猛，在設(shè)計(jì)和施工中常遇到各種地基情況，特別是在應(yīng)力集中的壩趾或壩踵處，常規(guī)的計(jì)算方法難以準(zhǔn)確、全面地得到其受力狀態(tài)。利用通用有限元軟件midas FEA，建立大壩三維模型，對其施加荷載并計(jì)算得到應(yīng)力分布于變形分布狀態(tài)云圖以及輸出特殊點(diǎn)處的應(yīng)力。計(jì)算表明：在壩趾和壩踵處有超標(biāo)主拉應(yīng)力。建議對應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行地基加固、提高壩基材料的力學(xué)性能和均勻性以及改進(jìn)壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其適應(yīng)斜坡壩段的側(cè)滑趨勢和減小壩趾附加部分的彎曲效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：重力壩;泥化夾層地基;三維模型;有限元法

1 概況

1.1 工程概況

瓦村水電站工程壩址位于郁江上游右江河段田林縣境內(nèi)、馱娘江與西洋江匯合口下游9km處的瓦村水文站附近峽谷中，距下游百色水利樞紐約105km。是郁江綜合利用規(guī)劃的第2個(gè)梯級，是一座以發(fā)電為主，兼顧供水、防洪、航運(yùn)等綜合利用的水電站工程。水庫總庫容5.36億m3，有效庫容為2.25億m3，設(shè)計(jì)裝機(jī)約230MW，屬Ⅱ等工程，主要建筑物級別為2級，攔河壩的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇。

1.2 工程特點(diǎn)

12#壩塊壩頂高程為311米，最大壩高91米，是瓦村水電站擋水壩塊之一。壩基地質(zhì)條件為：壩基上游為T2b14地層（約占2%），下游為T2b13地層（約占33%）和T2b12地層（約占65%），T2b14、T2b13為弱風(fēng)化中部巖體，T2b12為微風(fēng)化巖體。12#壩塊為最高擋水壩塊，壩踵有部分區(qū)域處于弱風(fēng)化層（軟弱夾層區(qū)域），該區(qū)域?qū)φ麄€(gè)壩體的穩(wěn)定應(yīng)力影響重大，尤其是施工期。

1.3 模型建立

采用midas FEA 建立12#壩塊三維有限元模型，計(jì)算模型整體坐標(biāo)系采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，以從上游指向下游的水平向?yàn)閤軸向，指向下游為正;以壩軸線方向?yàn)閥軸向，指向左岸為正;以鉛垂向?yàn)閦軸向，指向上為正。壩體、壩基應(yīng)力符號以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。壩基的計(jì)算寬度和深度均取壩底寬度的3倍，計(jì)算厚度取壩體厚度?；鶐r的上下游、壩軸向兩側(cè)邊界加置水平鏈桿支撐，底部邊界固定，壩體部分三向自由。圖1-1、1-2為有限元計(jì)算模型。單元網(wǎng)格主要采用六面體，局部為四面體。不考慮壩體中排水廊道和灌漿廊道孔洞對壩體應(yīng)力的局部影響。

1.4 荷載及材料參數(shù)

根據(jù)12#壩塊的開挖情況，模型不計(jì)入地應(yīng)力，主要荷載考慮自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力及淤沙壓力。重力加速度g=9.81m/s2?；炷恋膹椥阅Ａ縀=22000Mpa，泊松比μ=0.167，容重γ=24KN/m3;壩基各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1-1。各工況計(jì)算荷載簡圖1-2。

2 計(jì)算分析

2.1 計(jì)算本構(gòu)模型

整體模型采用基于如下式所示的DrucKer-Prager屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型：

式中：分別為第一應(yīng)力不變量和應(yīng)力偏量第二不變量，和與材料的凝聚力c和內(nèi)摩擦角有關(guān)[1]。

2.2 線性有限元計(jì)算成果

采用線性有限元法對正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位、完建空庫4種工況進(jìn)行了計(jì)算。

完建空庫工況，壩體重心位于上游側(cè)，整個(gè)壩體向上游變形，壩踵受壓，壩趾受拉;正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位工況下，壩體向下游變形，壩趾受壓，壩踵受拉。壩基面角點(diǎn)位置簡圖見圖2-1。

附圖2-2～附圖2-5分別給出12#壩塊完建空庫、正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位四個(gè)工況在代表斷面（y=5.5m斷面）處的壩體主拉應(yīng)力附圖。

附圖2-6～附圖2-9分別給出12#壩塊完建空庫、正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位四個(gè)工況在代表斷面（y=5.5m斷面）處的壩體主壓應(yīng)力附圖。

正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位3個(gè)工況壩體應(yīng)力分布規(guī)律基本相似，從附圖可以看出：

（1）最大主拉應(yīng)力發(fā)生在校核洪水位工況的壩踵附加外伸部分與巖體接觸處，為4.03MPa，最大主壓應(yīng)力發(fā)生在校核洪水位工況壩趾附加外伸部分與巖體接觸處，其值為-9.51 MPa;主拉、主壓應(yīng)力最大值均發(fā)生在壩踵、壩趾向上下游外延部分、并不在壩段主體結(jié)構(gòu)上。

（2）建基面上主要控制點(diǎn)鉛直向應(yīng)力，均為壓應(yīng)力。

3 結(jié)論與建議

3.1 主要計(jì)算結(jié)論

計(jì)算各工況基礎(chǔ)巖體建基面上個(gè)點(diǎn)的鉛直向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大值發(fā)生在壩體下部與T2B13 微風(fēng)化接觸部位，在完建空庫工況下為-2.25MPa，小于3～3.5MPa的運(yùn)行基礎(chǔ)承載力;其余各工況，最大壓應(yīng)力值小于完建空庫工況，均滿足基礎(chǔ)承載力要求。

壩體整體上呈受壓狀態(tài)，同時(shí)存在拉壓應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域。在校核洪水位工況，超標(biāo)主拉高應(yīng)力主要發(fā)生在壩踵220.0m高程平臺附近區(qū)域、230.0m高程平臺邊緣和壩趾附近下部區(qū)域;壩踵220.0m高程平臺附近區(qū)域和230.0m高程平臺邊緣的主拉應(yīng)力，是由于斜坡壩段有向左岸滑移趨勢、在壩體產(chǎn)生的橫河向拉應(yīng)力所致;壩趾附近下部區(qū)域超標(biāo)主拉應(yīng)力和壩趾附近上部區(qū)域超標(biāo)主壓應(yīng)力是由于附加區(qū)域外伸混凝土的彎曲變形所致。完建空庫工況，超標(biāo)主拉應(yīng)力一是受壩體向左岸側(cè)滑影響在壩體內(nèi)產(chǎn)生的橫河向拉應(yīng)力所致，二是地基巖體質(zhì)量相對較好的T2b13微風(fēng)化區(qū)在建基面中前部只有很小一條、前后的巖體質(zhì)量均有一定差距;超標(biāo)主壓應(yīng)力是壩踵壓應(yīng)力集中所致。

3.2 建議

建議對應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行處理，主要有兩種途徑，一是地基加固、提高壩基材料的力學(xué)性能和均勻性;二是改進(jìn)壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其適應(yīng)斜坡壩段的側(cè)滑趨勢和減小壩趾附加部分的彎曲效應(yīng)。

壩基巖體的主要力學(xué)參數(shù)分布不均勻，只有T2b13微風(fēng)化巖體相對較好、但面積很小，在距上游20m左右一窄條區(qū)域，建議對基礎(chǔ)進(jìn)行處理，提高地基的均勻性、改善壩體受力狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]曹文貴，方祖烈，唐學(xué)軍.巖石損傷軟化統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型之研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17（06）628-633.