河道堤防工程抗塑性損傷數(shù)值模擬分析探討

柏 麗

(遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，沈陽 110003)

0 前 言

河道堤防工程抗塑性損傷分析是近些年來堤防穩(wěn)定性分析的重要措施之一，當(dāng)前對(duì)于河道堤防抗塑性損傷分析已取得一定研究成果[1-5]，但這些方法大都針對(duì)某一個(gè)堤防斷面監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行抗塑性損傷分析，而對(duì)于整個(gè)河段堤防抗塑性損傷分析的研究還較少，主要是缺乏分析的技術(shù)手段。近些年來，Lee-Fenves 模型通過分析水工混凝土的抗拉曲線，分析其抗塑性損傷的沿程分布，在一些水利工程抗塑性損傷分析中得到具體應(yīng)用，但是在河道堤防工程中應(yīng)用還較少，為此文章創(chuàng)新引入Lee-Fenves 模型，以遼寧某河道堤防工程為具體實(shí)例，基于該模型對(duì)整個(gè)河道堤防的抗塑性損傷的沿程分布進(jìn)行分析，從而為其穩(wěn)定性分析提供重要的支撐依據(jù)。

1 模型計(jì)算原理

模型首先對(duì)河道堤防水工混凝土的抗塑應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：σ為有效應(yīng)力值(kpa)；E0為初始階段的彈性模量值(kpa)；ε為應(yīng)力總變量；εP為抗塑變量；D為伸縮剛性變量。結(jié)合剛性屈服和流動(dòng)準(zhǔn)則在應(yīng)力計(jì)算基礎(chǔ)上對(duì)其剛性屈度進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(3)

其中

(4)

式中：λ為抗塑穩(wěn)定變量；ap為混凝土抗塑穩(wěn)定性計(jì)算系數(shù)。河道堤防塑性損傷計(jì)算方程為：

(5)

式中：σg為應(yīng)力變化狀態(tài)曲線。河道堤防在不同應(yīng)力條件下的抗震強(qiáng)度計(jì)算方程為：

(6)

式中：ag抗震強(qiáng)度計(jì)算系數(shù)。文章對(duì)Lee-Fenves 模型的應(yīng)力曲線進(jìn)行改進(jìn)：

(7)

其中：

(8)

式中：Y為計(jì)算應(yīng)力；f為強(qiáng)度參數(shù)；X為承載比；af為混凝土抗拉系數(shù)；lf為堤防長度(m)；df堤防寬度(m)；pf為抗拉應(yīng)力(kpa)。模型抗塑性損傷計(jì)算方程調(diào)整為：

σ=f((εp)

(9)

其中：

εp=ε-σ/E

(10)

式中：σ為剪切應(yīng)力，kPa。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 河道堤防概況

以遼寧某河道堤防為具體分析實(shí)例，結(jié)合的Lee-Fenves模型對(duì)河道堤防的塑性損傷進(jìn)行沿程數(shù)值模擬分析，并結(jié)合原位觀測試驗(yàn)對(duì)其塑性損傷值進(jìn)行測定，分析模型計(jì)算誤差，并對(duì)其計(jì)算參數(shù)進(jìn)行測定，結(jié)果如表1所示。

表1 Lee-Fenves模型塑性損傷計(jì)參數(shù)測定結(jié)果

2.2 誤差分析

抗拉性是反映混凝土土石壩塑性損傷的主要特性指標(biāo)，結(jié)合原型觀測試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)前后的Lee-Fenves模型對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 模型抗拉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

Lee-Fenves模型主要通過對(duì)河道堤防水工混凝土不斷監(jiān)測斷面的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行分析，確定各斷面的抗拉曲線，通過對(duì)其抗拉曲線的分析確定其塑性損傷值。從各監(jiān)測斷面的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測定結(jié)果可看出，其抗拉強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)明顯的二次變化，底部斷面的抗拉強(qiáng)度較小，而其頂部斷面抗拉強(qiáng)度最大，底部受河床軟土地基影響，其抗拉強(qiáng)度值較低，而隨著縱向深度的增加，其縱向抗拉強(qiáng)度逐步提高，頂部的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。通過Lee-Fenves模型對(duì)各監(jiān)測斷面的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，并結(jié)合各斷面試驗(yàn)測定的抗拉強(qiáng)度對(duì)其計(jì)算值進(jìn)行誤差分析，從各監(jiān)測斷面的誤差分布可看出，傳統(tǒng)方法計(jì)算的抗拉強(qiáng)度值和試驗(yàn)測定值之間的誤差分布較大，總體誤差在13.9%-26.3%之間，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法未能考慮河道堤防水工混凝土不同斷面抗拉強(qiáng)度曲線的變化，使得其計(jì)算誤差總體較大，而從文章方法計(jì)算的各監(jiān)測斷面的誤差可看出，相比于傳統(tǒng)方法，文章方法計(jì)算的抗拉強(qiáng)度和試驗(yàn)測定的抗拉強(qiáng)度誤差均低于10%，具有較好的計(jì)算精度，這主要是因?yàn)長ee-Fenves模型可考慮水工混凝土的抗拉曲線沿程變化，更符合河道堤防水工混凝土的抗拉強(qiáng)度的變化，使得其計(jì)算誤差要明顯好于傳統(tǒng)方法。且文章方法結(jié)合模擬分析的抗拉曲線可實(shí)現(xiàn)不斷斷面之間抗拉強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，相比于傳統(tǒng)計(jì)算方法，更吻合河道堤防水工混凝土的抗拉強(qiáng)度縱向分布的變化特征。

2.3 河道堤防塑性損傷沿程分析

采用Lee-Fenves模型對(duì)該河道堤防工程的抗拉強(qiáng)度曲線進(jìn)行分析，結(jié)果該動(dòng)態(tài)變化曲線對(duì)河道堤防水工混凝土在不同靜力荷載條件下的沿程塑性損傷值進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示。

從分析結(jié)果可看出，隨著河道堤防混凝土水壓靜力荷載的逐步增強(qiáng)，河道堤防水工混凝土的塑性損傷的范圍逐步增加，當(dāng)水壓靜力荷載為20kpa時(shí)，河道堤防塑性損傷主要集中在底部斷面區(qū)域，而當(dāng)水壓靜力荷載為30kpa時(shí)，其堤防塑性損傷范圍有所減小，且堤防塑性損傷的區(qū)域逐步向頂部遷移。當(dāng)水壓靜力荷載為40kpa時(shí)，河道堤防水工混凝土的塑性損傷的范圍進(jìn)一步減小，而當(dāng)水壓靜力荷載為50kpa時(shí)，河道堤防水工混凝土的塑性損傷值達(dá)到最低，河道堤防水工混凝土的穩(wěn)定性增強(qiáng)。此外還可看出，隨著水壓靜力荷載的逐步增強(qiáng)，其抗震強(qiáng)度也有所增加，當(dāng)水壓靜力荷載從20kpa增加到50kpa后，該河道堤防水工混凝土的抗拉強(qiáng)度遞增率約為25%，沿程塑性損傷面積減小百分比的均值約為35%，這主要是因?yàn)殡S著水壓靜力荷載的增加，其水工混凝土的密實(shí)度、黏聚力將得到一定程度的提升，從而增加了其抗拉強(qiáng)度以及降低其沿程塑性損傷面積。通過不同水壓靜力荷載的沿程塑性損傷范圍分析結(jié)果可以確定河道堤防的較易受損傷的區(qū)域，建議在河道堤防易受損傷的區(qū)域增加水工混凝土的厚度，從而降低其塑性損傷值，提高其穩(wěn)定性。

H=20kPa

3 結(jié) 論

1)Lee-Fenves模型可考慮水工混凝土的抗拉曲線沿程變化，更符合河道堤防水工混凝土的抗拉強(qiáng)度的變化，使得其計(jì)算誤差要明顯好于傳統(tǒng)方法。且文章方法結(jié)合模擬分析的抗拉曲線可實(shí)現(xiàn)不斷斷面之間抗拉強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，相比于傳統(tǒng)計(jì)算方法，更吻合河道堤防水工混凝土的抗拉強(qiáng)度縱向分布的變化特征。

2)當(dāng)水壓靜力荷載從20kPa增加到50kPa后，該河道堤防水工混凝土的抗拉強(qiáng)度遞增率約為25%，沿程塑性損傷面積減小百分比的均值約為35%，這主要是因?yàn)殡S著水壓靜力荷載的增加，其水工混凝土的密實(shí)度、黏聚力將得到一定程度的提升，從而增加了其抗拉強(qiáng)度以及降低其沿程塑性損傷面積。

3)通過不同水壓靜力荷載的沿程塑性損傷范圍分析結(jié)果可以確定河道堤防的較易受損傷的區(qū)域，建議在河道堤防易受損傷的區(qū)域增加水工混凝土的厚度，從而降低其塑性損傷值，提高其穩(wěn)定性。