基于ANSYS的混合壩滲流-應(yīng)力場(chǎng)分析

張友利，彭 暢，何建新

(1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.江蘇科興項(xiàng)目管理有限公司，南京 210029)

0 引 言

經(jīng)過(guò)近現(xiàn)代以來(lái)水利水電工程的開(kāi)發(fā)與建設(shè)，隨著建壩的地形地質(zhì)條件愈加復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)單一壩型往往受到地形地質(zhì)的制約或在經(jīng)濟(jì)上不合理。混合壩的壩型結(jié)合重力壩及土石壩的優(yōu)點(diǎn)，成為水利水電工程常采用的一種布置型式[1-2]。在混合壩的設(shè)計(jì)與施工中，受兩種壩體材料性質(zhì)差異較大等因素的影響，其連接部位的應(yīng)力和滲流場(chǎng)較為復(fù)雜，是設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵部位，需要給予重點(diǎn)關(guān)注[3]。由于混凝土和土石兩種材料的結(jié)構(gòu)和荷載不同，在接觸面極易出現(xiàn)局部滑移、錯(cuò)動(dòng)和張開(kāi)等非連續(xù)的變形行為，而這些變形行為又會(huì)導(dǎo)致集中滲流的發(fā)生，在有限元仿真分析中，滲流與應(yīng)力是相互關(guān)聯(lián)相互影響的，因此在進(jìn)行滲流計(jì)算時(shí)有必要同時(shí)考慮應(yīng)力場(chǎng)的影響因素[4]。本文基于ANSYS有限元分析軟件，建立混合壩三維有限元模型，采用鄧肯張E-B模型[5-6]來(lái)模擬土石壩壩體材料非線性特征，在設(shè)計(jì)水位工況下，對(duì)混合壩三維有限元模型的滲流-應(yīng)力耦合場(chǎng)進(jìn)行分析研究。研究成果可為混合壩設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 計(jì)算理論與方法

土體的非線性特性可近似描述為[6]：

(1)

式中：σ1、σ3為第一、第三主應(yīng)力；εa為軸向應(yīng)變；Ei和Rf分別為初始彈模和破壞比。

(2)

式中：(σ1-σ3)f為破壞時(shí)的第一、第三主應(yīng)力之差；(σ1-σ3)ult為雙曲線漸近線相映射的第一和第三主應(yīng)力差。

圍壓與切線體積模量Bt關(guān)系可表述為：

(3)

式中：Kb為體積模量數(shù)；m為無(wú)量綱系數(shù)。

通常情況下，由于粗粒料的莫爾包線并非為直線，故而要使用下列內(nèi)摩擦角計(jì)算公式：

(4)

式中：Δφ為σ3增大10倍時(shí)φ的減小值。

該模型可用卸荷-再加荷模量Eur來(lái)代替Et，其中Eur可由下式求得：

(5)

式中：Kur為試驗(yàn)常數(shù)，一般情況下Kur>K。

2 混合壩分析模型的建立

本節(jié)以某大壩實(shí)際工程為例，建立其混合壩部位的三維有限元模型，該混合壩段采用低擋墻+刺墻的連接方式，其中刺墻長(zhǎng)度75.0 m。大壩壩頂高程為110.8 m，混凝土刺墻上游面邊坡坡度設(shè)置分別為1∶0.2、1∶0.1和1∶0.1，下游面邊坡坡度設(shè)置分別為1∶0.6、1∶0.4和1∶0.25。其中，混凝土刺墻插入黏土心墻，黏土心墻與土壩段心墻相連接，見(jiàn)圖1，壩體分為壩殼砂料(壩基開(kāi)挖風(fēng)化料)、心墻黏土(Q3低液限黏土)和刺墻(混凝土)3個(gè)部分。圖2為混合壩有限元模型。有限元模型共劃分8 466個(gè)單元和9 156個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 混合壩材料分區(qū)

圖2 混合壩有限元計(jì)算模型

在對(duì)混合壩滲流應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析時(shí)，采用彈性材料模擬刺墻混凝土部分，混凝土彈模E=2.5e10 MPa，滲透系數(shù)k=1.7×10-11，初始空隙比1.0，密度ρ=2 500 kg/m3。土石壩材料采用鄧肯E-B模型來(lái)模擬，土石壩壩體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鄧肯張模型力學(xué)參數(shù)

3 混合壩滲流應(yīng)力場(chǎng)耦合分析

根據(jù)工程資料可知，混合壩模型上游設(shè)計(jì)水位高程96.2 m，大壩底高程為64.32 m。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，模型底部、沿壩軸線兩端、順河向兩端均按作不透水邊界處理。位移約束條件為：模型底部全約束，壩軸線兩端面和順河向兩端面采用鏈桿約束。圖3為混合壩模型壓力水頭云圖。由于壩殼料滲透系數(shù)較大，故其水頭差異較小；而黏土心墻部分，由于黏土滲透系數(shù)較小，隨著黏土心墻深度方向，其壓力水頭變化較大。

圖3 混合壩壓力水頭云圖

圖4為水在壩體模型內(nèi)部發(fā)生滲流時(shí)的壓力水頭云圖。從圖4中可以看出，與下游面相比，混合壩上游臨水面壓力水頭較大。在進(jìn)行滲流分析時(shí)，作為壩體材料飽和滲流區(qū)和非飽和滲流區(qū)的分界面，壩體浸潤(rùn)線是一個(gè)重要分析指標(biāo)，其中飽和滲流區(qū)位于浸潤(rùn)線以下，非飽和滲流區(qū)位于浸潤(rùn)線以上。在ANSYS后處理模塊中，提取浸潤(rùn)線參數(shù)時(shí)需要加入一條判斷語(yǔ)句，即將壩體單元壓力水頭為負(fù)值區(qū)域重新賦值為0，壩體單元壓力水頭為正值區(qū)域則保持不變，壩體浸潤(rùn)線見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，由于刺墻混凝土材料與心墻黏土材料的差異性，浸潤(rùn)線在二者接觸部位發(fā)生突變，接觸面的水頭值與壩體上游面幾乎保持一致，說(shuō)明上游靜水壓力主要作用在刺墻與上游心墻接觸面部位。

圖4 混合壩壓力水頭云圖

圖5 混合壩浸潤(rùn)面云圖

為進(jìn)一步研究混合壩接觸部位的滲流場(chǎng)變化規(guī)律，選取刺墻附近繞壩線分析繞壩線不同位置的滲流情況。選取繞壩線高程為80.0 m，以上游刺墻接觸點(diǎn)為起點(diǎn)，沿刺墻繞過(guò)前端至下游面接觸點(diǎn)止，繞線全長(zhǎng)76.0 m。繞壩線滲流速度見(jiàn)圖6?？傮w來(lái)看，繞壩線開(kāi)始和結(jié)束時(shí)段，滲流速度較為平緩，且隨著與刺墻頂端距離的縮小，有逐漸減小趨勢(shì)；當(dāng)距離縮小到一定范圍內(nèi)時(shí)，滲流速度急劇增大，在刺墻頂端達(dá)到最大值，這是由于刺墻頂端處黏土心墻滲透系數(shù)與混凝土材料相比較大。圖7為繞壩線水力梯度隨距離變化關(guān)系曲線。與滲流速度情況類似，繞壩線水力梯度隨著與刺墻頂端距離的縮小，有逐漸減小趨勢(shì)；當(dāng)距離縮小到一定范圍內(nèi)時(shí)，水力梯度又急劇增大，并在刺墻頂端拐角處達(dá)到最大值。從圖7中可以看出，上游面刺墻拐角處繞壩線最大水力梯度值為0.25，從安全角度考慮，為避免刺墻拐角處水力梯度和滲流速度過(guò)大，在混合壩設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮將拐角形式布置為圓弧拐形。另外，增大刺墻與土壩心墻接觸面也利于減小突變的發(fā)生，從而使繞壩線的水力梯度和滲流速度緩慢變化。

圖6 繞壩線滲流速度

圖7 繞壩線水力梯度

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著筑壩技術(shù)的提高和壩址條件選擇的放寬，水利工程常常面臨復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，混合壩結(jié)合了重力壩及土石壩的優(yōu)點(diǎn)，成為大型水利工程中常用的一種布置型式。本文以某混合壩實(shí)際工程為研究對(duì)象，對(duì)三維有限元模型在設(shè)計(jì)水位下的滲流-應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。研究成果表明，由于刺墻混凝土材料與心墻黏土材料的差異性，浸潤(rùn)線在二者接觸部位發(fā)生突變，上游靜水壓力主要作用在刺墻與上游心墻接觸面部位。通過(guò)對(duì)繞壩線的滲流速度和水力梯度變化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，二者均在刺墻頂端拐角處產(chǎn)生突變，從安全角度考慮，為避免刺墻拐角處水力梯度和滲流速度過(guò)大，在混合壩設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮將拐角形式布置為圓弧形或增大刺墻與土壩心墻接觸面。