不同彈模比的碾壓式堆石壩應(yīng)力應(yīng)變敏感性分析

李根

（九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計院，江西九江332000）

0 引言

遼寧省渾江支流的涼水沖水庫是以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、供水養(yǎng)殖等綜合利用效益的中型水利工程，建筑物主要包括大壩、溢洪道、輸水發(fā)電涵管和壩后式電站廠房等。水庫總庫容1.221×107m3，水庫灌溉面積2186.67hm2，電站裝機(jī)容量320kW。依據(jù)SL252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[1]和GB50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[2]，水庫工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物等級為3級，次要建筑物等級為4級。

大壩的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)：正常運用洪水重現(xiàn)期為100年，非常運用洪水重現(xiàn)期為1000年。水庫大壩屬于碾壓式堆石壩，壩頂高程為184.0m，最大壩高42.0m，壩頂寬8.0m，壩頂軸線長173m，上游坡比為1.0∶2.0，1.0∶2.2，1.0∶2.5，下游坡比為1.0∶2.0，1.0∶2.4，1.0∶2.9，1.0∶2.7（棱體）。大壩的各區(qū)填筑材料如下：Ⅰ區(qū)的填筑材料主要是由砂質(zhì)頁巖碎塊等組成；Ⅱ區(qū)材料是砂礫土，該防滲殼對減少大壩滲漏量起了一些作用；Ⅲ區(qū)的填筑材料主要是礫質(zhì)粉質(zhì)粘土和礫質(zhì)粘土，另外有一部分是礫質(zhì)重粉質(zhì)壤土或礫質(zhì)壤土等；Ⅳ區(qū)主要是塊石堆積，為排水凌體部分；V區(qū)是基巖，主要巖層是砂質(zhì)頁巖和粘土質(zhì)頁巖。

1 有限元模型建立

1.1 計算參數(shù)

此文主要目的是研究壩體與壩基的彈性模量在不同比值的情況下對壩體應(yīng)力應(yīng)變的影響，從而尋求合適的填筑材料。此工程所在的壩基基巖彈性模量Ej為12GPa，設(shè)置初始的壩體填筑材料彈性模量Et為1GPa，即彈模比βE=Et/Ej=0.083，逐漸增大壩體填筑材料的彈性模量，對不同彈模比下的壩體應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行敏感性分析，尋求最優(yōu)的壩體填筑材料彈性模量。具體的計算參數(shù)如表1所示。

1.2 模型建立

首先對大壩的典型斷面進(jìn)行簡化，根據(jù)填充材料進(jìn)行分區(qū)，用MidasGTSNX軟件進(jìn)行建模和分析。此次采用二維模型進(jìn)行模擬，壩基左右各延伸30m，壩基向下延伸20m作為模型的計算邊界，采用四邊形網(wǎng)格對模型實體單元進(jìn)行劃分，模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為8894個，網(wǎng)格單元數(shù)為8752個。大壩材料分區(qū)及模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 壩體典型斷面模型

2 敏感性分析

2.1 壩體應(yīng)變敏感性分析

在水庫正常運行期間，作用在壩體上的荷載主要有水壓力和泥沙壓力[3,4]，同一高度處，壩體上游面的水平位移及豎向位移均小于下游壩面，因此以壩體下游面為研究對象，分析不同彈模比的壩體應(yīng)變規(guī)律。從圖2可知，隨著彈模比增大，壩體下游壩面沿水平方向的位移逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，當(dāng)彈模比大于2.4時，壩體下游面水平方向位移為定值，隨著彈模比增大，壩體下游壩面豎向位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定（位移為負(fù)值表示沉降），當(dāng)彈模比大于2.4時，壩體下游面沉降為定值。根據(jù)上述規(guī)律，在進(jìn)行壩體填筑時，增大壩體材料的彈模，能有效減小壩體的水平和豎向位移，但若壩體填筑材料彈模過大并無意義，而且會使大壩修筑造價和施工難度增加，將彈模比控制在2.4左右效果最佳。

圖2 壩體應(yīng)變敏感性分析

2.2 壩體主應(yīng)力敏感性分析

由于此工程的IV區(qū)的排水棱體部分是施工質(zhì)量重點把控區(qū)域，所以對排水棱體部分的主應(yīng)力進(jìn)行敏感性分析。從圖3可知，隨著彈模比增大，排水棱體區(qū)域第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力均先急劇減小后趨于平穩(wěn)，當(dāng)彈模比小于1時，第一主應(yīng)力減小幅度為42.9%，當(dāng)彈模比小于0.7時，第三主應(yīng)力減小幅度為50%。排水棱體區(qū)域應(yīng)力不宜過大，應(yīng)力過大使得填筑材料擠密破壞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，壩體內(nèi)部孔隙水壓力得不到有效釋放，對壩體造成較大危害，建議適當(dāng)提高壩體填筑材料的彈性模量[5-7]。

圖3 壩體主應(yīng)力敏感性分析

2.3 壩體豎直正應(yīng)力敏感性分析

分別對壩體上下游壩面同一高程處的豎直應(yīng)力進(jìn)行敏感性分析，從圖4可知，隨著彈模比增大，上游壩面壓應(yīng)力（壓應(yīng)力為負(fù)值）呈先增大后減小的趨勢，最終趨于穩(wěn)定；下游壩面應(yīng)力大于上游壩面，且隨著彈模比的增大，下游壩面應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且減小幅度也逐漸減小并有趨于穩(wěn)定的趨勢。建議在對壩體進(jìn)行填筑時，控制彈模比處于2～3之間為最優(yōu)，此時上下游壩面應(yīng)力均處于較小水平，但不宜使彈模比過大，這樣會增加建造成本，且對壩體應(yīng)力優(yōu)化效果不明顯。

圖4 壩體豎直正應(yīng)力敏感性分析

3 結(jié)語

1）壩體下游面水平和豎直方向位移均隨彈模比的增大逐漸減小，但最終趨于穩(wěn)定，且當(dāng)彈模比大于2.4時，壩體下游面水平和豎直方向位移為定值。

2）當(dāng)彈模比小于1時，增大彈模比能有效減小壩體應(yīng)力，但當(dāng)彈模比大于1時，增大彈模比對壩體應(yīng)力的減小效果并不明顯。

3）隨著彈模比增大，下游壩面應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且趨于穩(wěn)定；上游壩面應(yīng)力受彈模比變化較小。

4）綜合考慮壩體應(yīng)力應(yīng)變隨彈模比變化規(guī)律可知：令壩體材料彈模比過大對壩體應(yīng)力應(yīng)變優(yōu)化效果并不明顯，建議將壩體材料彈模比控制在2～3之間較為合理。