瀘定水電站心墻堆石壩有限元計(jì)算分析

張喆瑜

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

瀘定水電站位于四川省瀘定縣境內(nèi)。水庫正常蓄水位為1 378.00 m，總庫容2.195億m3，調(diào)節(jié)庫容0.22億m3，裝機(jī)容量920 MW。攔河大壩為粘土心墻堆石壩，最大壩高84 m，壩頂長(zhǎng)約537 m，大壩由粘土心墻、反濾層、過渡區(qū)、堆石區(qū)組成。壩基防滲采用一道懸掛式混凝土防滲墻，大壩心墻、混凝土防滲墻、覆蓋層灌漿帷幕、圍堰防滲墻及兩岸岸坡和壩肩的帷幕灌漿共同構(gòu)成該工程的防滲系統(tǒng)。

有關(guān)土石壩材料本構(gòu)模型的研究多年來是我國(guó)具有特色的一個(gè)研究領(lǐng)域，眾多學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的研究工作，提出了多個(gè)帶有鮮明特點(diǎn)的本構(gòu)模型[1]，其中Duncan E-v和雙屈服面彈塑性模型(以下簡(jiǎn)稱“南水模型”)特點(diǎn)尤為明顯，適用場(chǎng)合也有差異[2]。本文通過瀘定水電站粘土心墻堆石壩有限元的實(shí)例，分析兩者的差異。

有學(xué)者采用二維拉格朗日有限差分法,建立了二維土石壩有限元分析模型，用于土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中[3]，還有學(xué)者對(duì)卵礫石深覆蓋層堆石壩防滲體系的應(yīng)力變形特征研究表明：心墻大主應(yīng)力在80%墻體深度以下增加較快,明顯存在“應(yīng)力拱”現(xiàn)象；基礎(chǔ)防滲墻蓄水期大小主應(yīng)力均在70%墻體深度附近出現(xiàn)拐點(diǎn),水平位移在30%墻體深度附近出現(xiàn)最大值拐點(diǎn)值[4]。

2 研究目的及方法

本文分別采用Duncan E-v和雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型，以瀘定水電站粘土心墻堆石壩為例，通過有限元計(jì)算，分析大壩在竣工期、運(yùn)行期壩體、壩基防滲墻體的應(yīng)力應(yīng)變情況，對(duì)比分析壩體的應(yīng)變變形特性。

3 計(jì)算模型及參數(shù)

3.1 計(jì)算模型

本文取大壩最大剖面，主要給出Duncan E-v模型的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)以沈珠江院士提出的“南水”雙屈服面彈塑性模型作為比較模型進(jìn)行壩體應(yīng)力變形分析。本文混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，心墻土體中的孔隙流體假定為可壓縮的水氣混合流體對(duì)待[5-7]。

3.2 計(jì)算參數(shù)

Duncan E-v模型和南水模型計(jì)算參數(shù)均采用大連理工大學(xué)試驗(yàn)成果(見表1)。

表1 計(jì)算參數(shù)(試驗(yàn)參數(shù))

3.3 計(jì)算條件

計(jì)算中對(duì)心墻土體、高塑性土、壩基2-3按3個(gè)位移分量和1個(gè)孔隙水壓力共4個(gè)自由度(平面問題按2個(gè)位移分量和1個(gè)孔隙水壓力共3個(gè)自由度)處理，其它材料僅考慮位移分量，按3個(gè)自由度(平面問題按2個(gè)自由度)，巖基則按不變形不透水考慮。

壩體平面應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算采用有效應(yīng)力法和相應(yīng)的有限元程序EFES2D進(jìn)行。計(jì)算時(shí)采用逐級(jí)加載的方法模擬壩體施工工序，水庫蓄水過程通過水荷載分級(jí)施加進(jìn)行模擬，具體模擬順序?yàn)椋禾烊粔位采w層→大壩防滲墻、廊道和上游圍堰防滲墻澆筑→上游圍堰填筑，歷時(shí)120 d→上游圍堰擋水(水位上升至1 339.8 m)，歷時(shí)30 d→壩體及棄渣壓重體填筑，填筑強(qiáng)度為每月6 m→水位由1 339.8 m至正常蓄水位1 378.00 m，歷時(shí)40 d→大壩在正常蓄水位下運(yùn)行1 460 d(4 a)，每半年一步。

4 壩體應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

4.1 Duncan E-v模型計(jì)算結(jié)果

圖1和圖2分別為采用Duncan E-v模型計(jì)算得到的該剖面在竣工期、蓄水期的順河向位移和沉降等值線圖。圖3和圖4則為竣工期、蓄水期的大小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

圖1 竣工期最大剖面變形分布圖

圖2 蓄水期最大剖面變形分布圖

圖3 竣工期最大剖面應(yīng)力分布圖

圖4 蓄水期最大剖面應(yīng)力分布圖

4.2 南水模型計(jì)算結(jié)果

圖5和圖6分別為采用南水模型計(jì)算得到的該剖面在竣工期、蓄水期的順河向位移和沉降等值線圖。圖7和圖8則為竣工期、蓄水期的大小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

圖5 竣工期最大剖面變形分布圖

圖6 蓄水期最大剖面變形分布圖

圖7 竣工期最大剖面應(yīng)力分布圖

圖8 蓄水期最大剖面應(yīng)力分布圖

5 結(jié)論與建議

對(duì)比Duncan E-v模型和南水模型的計(jì)算分析結(jié)果(見表2)，可見Duncan E-v模型計(jì)算得到的竣工期壩體最大沉降為180.3 cm，指向上、下游向的水平位移最大值分別為22.7 cm和58.6 cm；南水模型得到的竣工期壩體最大沉降為197.9 cm，指向上、下游向的水平位移最大值分別為9.8 cm和24.6 cm。

表2 Duncan E-v模型和南水模型結(jié)果比較表

從等值線圖上看，最大沉降量、水平位移均發(fā)生在堆石體內(nèi)，而大主應(yīng)力主要集中在心墻和堆石體的交界面上，可見兩種模型對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的規(guī)律均表現(xiàn)良好，但Duncan E-v模型最大位移比南水模型大1倍，而最大主應(yīng)力卻比南水模型小20%，定性的說明Duncan E-v模型與實(shí)際偏離較大，因此，南水模型更適合用于心墻堆石壩的有限元分析。