基于空間差異的瀝青混凝土心墻水力劈裂數(shù)值模擬分析

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

瀝青混凝土心墻壩作為一種新興壩型，具有抗?jié)B性能好，適應(yīng)能力強(qiáng)的突出優(yōu)勢，近年來，在水利工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。迄今為止，我國已經(jīng)建成的瀝青混凝土心墻壩運(yùn)行良好，并未發(fā)生事故[2]。但是，該壩型壩正逐步向地質(zhì)不良地區(qū)推廣應(yīng)用，其壩體質(zhì)量控制問題不容忽視。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，大壩事故的主要誘因是壩體裂縫和滲漏，如果不采取較好的補(bǔ)救措施，極有可能導(dǎo)致水力劈裂的發(fā)生[3]。因此，利用有限元分析法判斷壩體安全問題具有重要意義。目前，相關(guān)研究均假定同一分區(qū)材料力學(xué)參數(shù)相同，但是在實(shí)際施工過程中的施工質(zhì)量空間差異，必然導(dǎo)致材料在物理力學(xué)參數(shù)方面的空間分布不均。本文基于壩體材料參數(shù)的空間差異，對瀝青混凝土心墻水力劈裂問題進(jìn)行研究，為大壩的安全運(yùn)營提供有益參考。

1 工程背景

擬建中的雙龍水電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣太平哨鎮(zhèn)二龍渡村境內(nèi)半拉江干流上，在已建成的高龍泡水電站下游，為典型的河床式水電站。雙龍水電站大壩為斜心墻土石壩，壩頂高程160.00m，最大壩高56m。大壩按百年一遇洪水設(shè)計(jì)、千年一遇洪水校核，正常蓄水位157.50m，校核水位158.50m，汛期限制水位為152.00m。大壩壩基上游為砂礫石和砂質(zhì)黏土覆蓋層，靠近河床部位的覆蓋層均為厚度較大的砂礫石，最大厚度可以達(dá)到14m，平均厚度為7.30m。壩基采取壤土齒槽防滲。大壩壩體共分為四個(gè)不同的材料分區(qū)，分別為堆石料Ⅰ區(qū)、堆石料Ⅱ區(qū)、過渡層區(qū)和瀝青混凝土心墻區(qū)。半拉江流域?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫2.30℃，多年平均降水量765.30mm，且年內(nèi)分布不均，降水主要集中于夏季的6—9月，且多短時(shí)暴雨。從地形地貌來看，項(xiàng)目所在地區(qū)屬于長白山系，區(qū)內(nèi)山脈多南北走向，由于受到鴨綠江水系的強(qiáng)烈侵蝕作用，呈現(xiàn)出群峰聳立、山高谷深的地貌景觀。從地層巖性來看，基底埋藏較深，沉積蓋層主要是泥盆系、三疊系至下第三系地層，主要由海相碳酸鹽和淺海、濱海碎屑巖構(gòu)成。

2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 計(jì)算軟件的選取

ABAQUS 軟件是一款專門的非線性有限元力學(xué)分析軟件[4]。該軟件基于自身豐富的單元庫和材料模型庫，可以完成任何復(fù)雜形狀的建立以及常見工程材料的模擬。作為一種通用仿真計(jì)算工具，該軟件可以高效解決許多結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形問題，為各種土木工程中的各種問題提供有效解決方案[5]。因此，本文選取ABAQUS 三維有限元軟件進(jìn)行瀝青混凝土心墻水力劈裂數(shù)值模擬分析。在水利工程建設(shè)過程中，工程結(jié)構(gòu)會(huì)受到諸多因素的干擾而達(dá)不到理想設(shè)計(jì)狀態(tài)，并使工程結(jié)構(gòu)本身具有隨機(jī)性。因此，本文研究中采取蒙特卡羅直接抽樣法對材料參數(shù)進(jìn)行抽樣分析，直至有限元計(jì)算結(jié)果達(dá)到統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定，并根據(jù)隨機(jī)反應(yīng)樣本的統(tǒng)計(jì)分析，對混凝土心墻的總體特征進(jìn)行估計(jì)[6]。

2.2 模型的構(gòu)建

利用ABAQUS 三維有限元軟件進(jìn)行雙龍水電站瀝青混凝土心墻壩計(jì)算模型的構(gòu)建，規(guī)定壩軸線方向?yàn)閄軸，其中指向左岸的方向?yàn)檎较?；豎直向上的方向?yàn)閅軸正方向；垂直于壩軸線的方向?yàn)閆軸，指向下游的方向?yàn)檎较?。模型采?節(jié)點(diǎn)六面體C3D8單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格剖分，共獲得26832個(gè)計(jì)算單元。其中，瀝青混凝土心墻壩共剖分為8165個(gè)計(jì)算單元，瀝青混凝土心墻共剖分為468個(gè)計(jì)算單元。模型的大壩地基通過截?cái)噙x取，豎直方向?yàn)橄蛳?0m，底部施加固定位移約束，水平方向截?cái)嚅L度為50m，在其界面上也施加固定位移約束[7]。

2.3 計(jì)算參數(shù)

研究過程中，對大壩堆石體所用的材料采用鄧肯-張E-B非線性模型進(jìn)行計(jì)算[8](主要參數(shù)見表1)。

表1 大壩材料計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)工況計(jì)算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的三維有限元計(jì)算模型對設(shè)計(jì)工況下的大壩應(yīng)力分布進(jìn)行模型計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取大壩上游迎水面中線部位各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的小主應(yīng)力、中主應(yīng)力和大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，獲得水壓力和心墻迎水面小主應(yīng)力、中主應(yīng)力和組合應(yīng)力在相對高程上的分布特征(見圖1)。由計(jì)算結(jié)果可知，瀝青混凝土心墻上游迎水面的小主應(yīng)力、中主應(yīng)力和組合應(yīng)力均大于同一位置的庫水壓力，因此，心墻不會(huì)發(fā)生水力劈裂。相比而言，以小主應(yīng)力作為判斷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，心墻發(fā)生水力劈裂的可能性最高，中主應(yīng)力次之，組合應(yīng)力最小，并且瀝青混凝土心墻的上部較下部更易發(fā)生水力劈裂。由此可見，在工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行劈裂標(biāo)準(zhǔn)判別時(shí)，選擇小主應(yīng)力作為判別標(biāo)準(zhǔn)得到的結(jié)果相對比較保守，相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)偏于安全。

圖1 設(shè)計(jì)工況下心墻應(yīng)力沿相對高程分布曲線

3.2 空間差異下的計(jì)算結(jié)果分析

在考慮空間差異的條件下，對大壩瀝青混凝土心墻上游迎水面中線部位的小主應(yīng)力、中主應(yīng)力和大主應(yīng)力進(jìn)行600次模擬計(jì)算，將模擬計(jì)算結(jié)果的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差與設(shè)計(jì)工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，并根據(jù)對比結(jié)果，獲得水壓力和心墻迎水面小主應(yīng)力、中主應(yīng)力和組合應(yīng)力在相對高程上的分布特征(見圖2～圖4)，各節(jié)點(diǎn)的小主應(yīng)力、中主應(yīng)力和大主應(yīng)力的隨機(jī)有限元模擬結(jié)果見表2。由表2可知，隨機(jī)有限元模擬均值和設(shè)計(jì)工況下的計(jì)算結(jié)果比較一致，差距并不明顯。由圖3可知，瀝青混凝土心墻在相對高程50～60m的部位小主應(yīng)力與水壓力值最為接近，屬于心墻水力劈裂易發(fā)部位。因此，選取該部位的No.3025，以及瀝青混凝土心墻的中部和底部的No.1498與No.5559作為特征點(diǎn)，提取其小主應(yīng)力、中主應(yīng)力和組合應(yīng)力，600次隨機(jī)有限元模擬計(jì)算結(jié)果顯示，上述三個(gè)特征點(diǎn)位的三個(gè)應(yīng)力值均大于水壓力，沒有發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象。

圖2 中主應(yīng)力沿大壩相對高程分布對比

圖3 小主應(yīng)力沿大壩相對高程分布對比

圖4 組合應(yīng)力沿大壩相對高程分布對比

表2 各節(jié)點(diǎn)主應(yīng)力隨機(jī)有限元模擬結(jié)果

4 結(jié) 語

綜上所述，雙龍水電站瀝青混凝土心墻的質(zhì)量較高，此次隨機(jī)有限元模擬結(jié)果顯示心墻不會(huì)發(fā)生水力劈裂。其中，在工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行劈裂標(biāo)準(zhǔn)判別時(shí)，選擇小主應(yīng)力作為判別標(biāo)準(zhǔn)得到的結(jié)果相對比較保守，相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)偏于安全，而采取組合應(yīng)力判斷，則存在發(fā)生水力劈裂的可能性。從小主應(yīng)力的分布特征來看，瀝青混凝土心墻的上部更容易發(fā)生水力劈裂，是施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵部位。