基于ABAQUS的瀝青混凝土心墻與基座連接型式研究

彭兆軒，柳 瑩，李 江

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

20世紀(jì)70年代，瀝青混凝土防滲技術(shù)在新疆水利工程建設(shè)中拉開嶄新的序幕，90年代以后瀝青質(zhì)量得到了顯著的提高[1]。在“北克南庫”(北疆為克拉瑪依瀝青，南疆為庫車瀝青)分布格局的背景下，瀝青混凝土心墻壩因其自身適應(yīng)各類地形地質(zhì)條件、防滲性能好、抗震能力強(qiáng)、取材方便、氣候條件影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前正在如火如荼的建設(shè)中，在新疆山區(qū)水庫建設(shè)中穩(wěn)居第一。許多學(xué)者對(duì)瀝青心墻壩進(jìn)行了大量而深入的研究。汪洋以庫什塔依水電站為例，分析了瀝青混凝土心墻壩冬季施工工藝，縮短了施工工期，提前發(fā)揮了電站的經(jīng)濟(jì)效益[2]。楊超等人研究了不同河谷形狀對(duì)瀝青心墻壩的影響，河谷寬度會(huì)直接影響心墻底部拱效應(yīng)的大小，河谷兩側(cè)陡緩將影響壩體拉應(yīng)力范圍和量值[3]。王建祥、吳海林及吳俊杰等人通過有限元計(jì)算，分析了瀝青心墻發(fā)生水利劈裂的可能性大小[4- 6]。陳松、李艷波及劉玉杰等人以某工程為例，計(jì)算并分析了瀝青混凝土心墻壩的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及滲透穩(wěn)定性等[7- 9]。朱晟和伍小玉等人分析了黃金坪水電站深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩壩基的防滲型式，考慮廊道在中的布置方式，研究了廊道不同尺寸下壩體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，適當(dāng)減小廊道尺寸后，可改善其應(yīng)力條件，但心墻的豎向位移會(huì)略微增大[10- 11]。趙一新等人以新疆下板地瀝青心墻壩為典型案例，分析了壩基廊道在竣工期和運(yùn)行期的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，結(jié)果表明兩階段在廊道頂部均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，運(yùn)行期時(shí)頂部可能會(huì)產(chǎn)生惡破壞[12]。

通過對(duì)近年來有關(guān)瀝青心墻壩研究成果的梳理，不難發(fā)現(xiàn)，大多都是研究瀝青心墻壩的施工工藝、發(fā)生水利劈裂的可能性以及大壩整體的靜動(dòng)力分析，而對(duì)于心墻底部是否設(shè)置連接廊道的問題研究甚少。雖然有部分學(xué)者研究了心墻底部廊道的應(yīng)力變形狀態(tài)，但都是廊道在中的布置方式。瀝青心墻與壩基防滲體之間的連接型式分為無廊道方案、廊道在中方案和廊道在側(cè)方案3種。本文通過ABAQUS有限元分析軟件，結(jié)合新疆某具體工程實(shí)例，計(jì)算并分析了廊道在側(cè)的布置型式下廊道自身及壩體的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。

1 工程概況

尼雅水利樞紐工程位于尼雅河中上游河段，新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)民豐縣境內(nèi)，樞紐區(qū)東距烏魯木齊市1300km，西距和田市390km，北距民豐縣90km，樞紐區(qū)距下游G315國(guó)道70km。尼雅水利樞紐工程是尼雅河流域規(guī)劃推薦的一期重點(diǎn)工程，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。水庫總庫容4069萬m3，正常蓄水位2663m，死水位2615m，控制灌溉面積10萬畝，電站裝機(jī)容量6000kW，多年平均發(fā)電量1827萬kW·h，屬Ⅲ等中型工程。樞紐工程由攔河壩、左岸溢洪洞、右岸泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)等組成。大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高131.8m。瀝青混凝土心墻厚度基本按照壩高的1/100設(shè)計(jì)，心墻頂寬0.6m，采用變臺(tái)階式設(shè)計(jì)，按高程加厚，底部采用放大基礎(chǔ)與混凝土基座相連，底寬1.4m。瀝青混凝土心墻的基本要求：要有一定的強(qiáng)度又要有一定的柔性，滲透系數(shù)不大于1×10-7，碾壓后的瀝青混凝土孔隙率不大于3%，碾壓后的容重控制在2.4g/cm3。

2 有限元計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

針對(duì)尼雅水利樞紐壩址河床部位的地形地質(zhì)情況，采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行大壩三維有限元計(jì)算分析，選取大壩典型橫剖面，沿厚度方向拉伸20m。根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)及本工程實(shí)際地質(zhì)條件，有限元模型地基深度及上下游長(zhǎng)度均為最大壩高的1.5倍，網(wǎng)格類型基本為六面體單元，局部采用四面體單元過度，共232870個(gè)單元，254248個(gè)節(jié)點(diǎn)。本次計(jì)算選用笛卡爾直角坐標(biāo)系，X向?yàn)轫樅酉?，從上游指向下游為正；Y向?yàn)樨Q向，沿壩高方向從下向上為正；Z向?yàn)閴屋S向，從左岸指向右岸為正。地基上游側(cè)和下游側(cè)分別施加法向約束，底部施加固定約束，即固定支座。

2.2 計(jì)算假定與邊界條件

在進(jìn)行有限元模型數(shù)值分析時(shí)，通常有如下假定：各材料的密度、彈模以及泊松比等為各項(xiàng)同性；混凝土、弱風(fēng)化巖以及微風(fēng)化巖按照線彈性模型來考慮；壩體與地基的接觸作用通過彈塑性模型模擬。地基上游側(cè)和下游側(cè)分別施加法向約束，底部施加固定約束，即固定支座。

2.3 本構(gòu)模型及參數(shù)

瀝青混凝土心墻壩壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為上游爆破料填筑區(qū)、上游砂礫料填筑區(qū)、上游過渡層區(qū)、瀝青砼心墻、下游過渡層區(qū)、下游砂礫料填筑區(qū)、下游爆破料填筑區(qū)。通過大量工程材料試驗(yàn)表明，爆破料、砂礫料、過渡料以及心墻均呈現(xiàn)出非線性的應(yīng)力應(yīng)變特性，鄧肯-張本構(gòu)模型和南水模型雖然均能較好地模擬其力學(xué)特性，但鄧肯張模型計(jì)算結(jié)果偏于保守。本工程壩高131.8m，心墻高度132.9m，屬于全國(guó)心墻最高壩，考慮到工程安全性，采用鄧肯-張E-B非線性彈性本構(gòu)模型，而對(duì)于混凝土基座、帷幕灌漿及地基巖體則采用線彈性模型進(jìn)行模擬。以施工期為例，分18步逐層填筑至壩頂。壩體各分區(qū)材料以及壩基巖體參數(shù)見表1—2。由于壩體與地基巖石材料性質(zhì)差異很大，如單純地考慮綁定約束，則計(jì)算結(jié)果一般情況下偏于安全，不能真正反映應(yīng)力與位移之間的關(guān)系。因此，對(duì)于壩體與地基的接觸面，通過無厚度Goodman接觸單元進(jìn)行模擬，可真實(shí)地反映二者之間的不連續(xù)變形特性，接觸模型參數(shù)根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)選取，具體參數(shù)取值詳見表3。

表1 瀝青混凝土心墻壩有限元計(jì)算鄧肯-張E-B本構(gòu)材料參數(shù)

表2 瀝青混凝土心墻壩有限元計(jì)算線彈性材料參數(shù)

表3 Goodman接觸面模型參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對(duì)不同深度覆蓋層材料特性，提出了不同的防滲型式。對(duì)于淺深(小于20m)覆蓋層，采用挖除置換的方式進(jìn)行處理；中深(20～50m)覆蓋層，以防滲墻全斷面防滲為主；超深(大于50m)覆蓋層，逐漸采用以防滲墻為主、墻幕結(jié)合的防滲體系，壩基防滲效果顯著提升。瀝青混凝土心墻與基礎(chǔ)防滲體之間的連接型式是制約瀝青心墻壩防滲效果的重要因素之一，是否設(shè)置連接廊道成為當(dāng)前具有爭(zhēng)議的話題。由于心墻設(shè)置在壩體內(nèi)部，不易監(jiān)測(cè)與檢修，如發(fā)生滲漏則處理較為困難。因此，早期的百米級(jí)瀝青心墻壩均考慮設(shè)置底部灌漿廊道，一是方便灌漿施工，二是便于檢修。如20世紀(jì)90年代建設(shè)的茅坪溪水庫和冶勒水電站心墻與基礎(chǔ)防滲之間采用了廊道居中的連接型式；21世紀(jì)初，在新疆下坂地水庫建設(shè)中，采用了廊道在側(cè)的連接型式。隨著在深厚覆蓋層上修建瀝青心墻壩的工程增多，如采用懸掛式防滲墻、混凝土廊道和瀝青混凝土心墻共同組成大壩的防滲體系時(shí)，從應(yīng)力和變形方面考慮，隨著廊道尺寸的增加，對(duì)防滲墻、廊道、心墻的受力條件不利，同時(shí)運(yùn)行的可靠性也會(huì)降低。以尼雅水利樞紐工程為例，通過ABAQUS有限元軟件模擬壩體的施工過程，并對(duì)有無廊道2種方法進(jìn)行了對(duì)比研究，壩體最大斷面豎直向位移如圖1所示。圖中“+”在位移圖中表示與該坐標(biāo)軸指向一致，在應(yīng)力圖中表示為拉應(yīng)力；“-” 位移圖中表示與該坐標(biāo)軸指向一致，在應(yīng)力圖中表示為壓應(yīng)力。

圖1 壩體豎直向位移云圖(單位：m)

圖1反映了有無廊道2種防滲連接型式下，壩體的豎向位移。從圖1可以看出，2個(gè)連接方案計(jì)算出來的壩體沉降規(guī)律基本一致，最大沉降量為0.64m，約占?jí)胃叩?.48%，發(fā)生在壩體中心，距壩頂1/2的位置，符合壩體變形一般規(guī)律。由于隧洞尺寸相對(duì)于整個(gè)壩體來說非常小，無論是從大壩位移云圖還是應(yīng)力云圖均無法直觀地觀察兩方案下的差異性。因此，可通過ABAQUS顯示與隱藏功能，顯示壩體結(jié)構(gòu)某部分的應(yīng)力云圖。瀝青混凝土心墻的大小主應(yīng)力如圖2—3所示，基座和廊道的大小主應(yīng)力如圖4—5所示，帷幕灌漿的大小主應(yīng)力如圖6—7所示。

通過圖2—3可以看出，瀝青混凝心墻以受壓為主且壓應(yīng)力隨著心墻高程的降低而呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。壩頂處的心墻受到的壓應(yīng)力最小，無廊道方案大主應(yīng)力82.86kPa、小主應(yīng)力255.0kPa，有廊道方案大主應(yīng)力81.48 kPa、小主應(yīng)力254.6kPa；心墻底部基座附近受到的壓應(yīng)力最大，無廊道方案大主應(yīng)力1500kPa、小主應(yīng)力1995kPa，有廊道方案大主應(yīng)力1117kPa、小主應(yīng)力1755kPa。從心墻應(yīng)力分布規(guī)律不難發(fā)現(xiàn)，采用有廊道方案時(shí)，心墻受到的壓應(yīng)力比無廊道方案小，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是設(shè)置廊道后，心墻受到的壓應(yīng)力部分傳遞到廊道上，由廊道和心墻共同承擔(dān)。這樣雖然改善了心墻的應(yīng)力狀態(tài)，但廊道的應(yīng)力條件可能會(huì)進(jìn)一步惡化。

圖2 瀝青混凝土心墻大主應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖3 瀝青混凝土心墻小主應(yīng)力云圖(單位:kPa)

從圖4中可以看出，兩種連接方案下基座大主應(yīng)力均以拉應(yīng)力為主。采用無廊道方案時(shí)，混凝土基座受到的最大拉應(yīng)力為3335kPa，發(fā)生在基座與帷幕灌漿的接觸面上，在大壩竣工期或運(yùn)行期均有可能發(fā)生拉裂破壞，所以在對(duì)混凝土基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)乜紤]設(shè)置鋼筋；最大壓應(yīng)力為528.7kPa，發(fā)生在心墻與基座連接的接觸面上以及混凝土基座兩側(cè)底部。采用有廊道方案時(shí)，最大拉應(yīng)力為4855kPa，發(fā)生在廊道頂部且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，比無廊道方案最大拉應(yīng)力大了1520kPa，將近是無廊道方案的145.6%。由此可見，設(shè)置廊道后，拉應(yīng)力增幅顯著，頂拱處極易造成拉裂破壞，即使設(shè)置鋼筋等防護(hù)措施也難保結(jié)構(gòu)安全，新疆下板地水庫設(shè)置廊道后，水庫在運(yùn)行期發(fā)現(xiàn)廊道拉裂破壞，出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲、滲漏破壞。

圖4 基座或廊道大主應(yīng)力云圖(單位:kPa)

從圖5中可以看出，兩種防滲連接型式下，廊道和基座小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力。無廊道方案最大壓應(yīng)力為5925kPa，發(fā)生在心墻與混凝土基座連接處，基座兩側(cè)壓應(yīng)力較?。挥欣鹊婪桨缸畲髩簯?yīng)力為16070kPa，發(fā)生在廊道頂拱內(nèi)表面。通過兩方案對(duì)比，明顯看出，有廊道方案應(yīng)力增加較多，最大壓應(yīng)力竟增加了171%，應(yīng)力條件較差，而取消廊道后，無論拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均有所減小，改善了基座領(lǐng)域應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

圖5 基座或廊道小主應(yīng)力云圖(單位:kPa)

由圖6—7可知，不同的防滲連接型式下，帷幕灌漿的大小主應(yīng)力分布規(guī)律且均以壓應(yīng)力為主。采用無廊道方案時(shí)，帷幕大主應(yīng)力從上至下呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，最大壓應(yīng)力為172.7kPa，出現(xiàn)在帷幕中上部；小主應(yīng)力分布的規(guī)律性沒有大主應(yīng)力明顯，但應(yīng)力較大的部分主要集中在帷幕與基座連接的接觸面上，最大壓應(yīng)力可達(dá)522.5kPa。采用有廊道方案時(shí)，大主應(yīng)力分布規(guī)律與無廊道方案類似，帷幕中上部的壓應(yīng)力最大，為183.9kPa；小主應(yīng)力最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在帷幕頂部偏左的位置，大小為557.1kPa。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，是由于本方案采用的是廊道在側(cè)，心墻在廊道偏左的位置，造成壓應(yīng)力傳導(dǎo)在帷幕頂部左側(cè)。從以上應(yīng)力分布規(guī)律不難發(fā)現(xiàn)，設(shè)置廊道后，帷幕所受的大小主應(yīng)力均大于無廊道方案。

施工期有無廊道方案下壩體各部位應(yīng)力極值見表4。

從表4匯總結(jié)果可直觀地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)置廊道時(shí)，最大壓應(yīng)力為1959 kPa，出現(xiàn)在廊道兩側(cè)和底部；最大拉應(yīng)力達(dá)到4855 kPa，出現(xiàn)在廊道頂拱部位，極易造成廊道拉裂破壞，不利于壩體安全運(yùn)行及防滲要求。當(dāng)取消廊道后，基座的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力較有廊道方案均有減小，其應(yīng)力值分別為3335 、528.7 kPa，采用瀝青心墻與混凝土基座直接相連，防滲結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改善了基座領(lǐng)域的應(yīng)力應(yīng)變條件，減小了大壩的安全隱患。瀝青心墻和帷幕主要承受壓應(yīng)力，有廊道方案瀝青心墻的大小主應(yīng)力極值比無廊道方案略有減小，但其相差不大；有廊道方案帷幕的大小主應(yīng)力極值分別為183.9、557.1 kPa，而無廊道方案中帷幕的大小主應(yīng)力極值分別為172.7 、522.5 kPa，由此可見取消廊道也可改善帷幕的受力條件。設(shè)置廊道時(shí)便于灌漿施工、干擾少，基礎(chǔ)出現(xiàn)問題便于檢修，但是廊道容易出現(xiàn)大變形、易開裂、滲水等情況。對(duì)于是否設(shè)置連接廊道，至今還沒有明確的定論，仍需根據(jù)工程實(shí)際情況做充分的考慮。

圖6 帷幕大主應(yīng)力云圖(單位:kPa)

圖7 帷幕小主應(yīng)力云圖(單位:kPa)

表4 施工期有無廊道方案下壩體各部位應(yīng)力極值 單位：kPa

4 結(jié)論

采用無廊道連接方案雖不便于心墻檢修，但可改善基座鄰域的受力條件，有利于壩體結(jié)構(gòu)安全，而設(shè)置廊道連接時(shí)，則極有可能會(huì)引發(fā)廊道頂拱拉裂破壞，造成水庫大壩運(yùn)行期產(chǎn)生嚴(yán)重的滲漏問題，危及大壩穩(wěn)定。因此，設(shè)置連接廊道方案是弊大于利，具體水庫工程也需因地制宜，綜合考慮。本文計(jì)算時(shí)只考慮了廊道在側(cè)的連接方案，并未統(tǒng)籌考慮無廊道、廊道在中、廊道在側(cè)以及廊道尺寸大小等對(duì)壩體、心墻、基座、防滲墻等的影響情況，今后仍需做進(jìn)一步的研究。