河床地形對面板堆石壩應力變形影響分析

梁 勐 孫 屹 吳 平 劉斯宏 朱安龍

(1.河海大學 水利水電學院,南京 210098;2.中鐵水利水電規(guī)劃設計集團有限公司 江西省水工結構工程技術研究中心,南昌 330029;3.中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司,杭州 311122;4.國家能源水電工程技術研發(fā)中心抽水蓄能工程分中心,杭州 311122)

混凝土面板堆石壩因其安全可靠性好,經濟適用性強等優(yōu)點,已成為水利水電工程建設中采用的主要壩型之一.面板堆石壩相比重力壩及拱壩,對地基的要求較低,對地形的適應性較強[1].目前,在復雜地形條件下修建面板堆石壩工程較為常見.已有研究表明[2],復雜地形下面板堆石壩的應力變形特性與平整地形條件下的面板壩有很大區(qū)別,地形是影響大壩性態(tài)的一個重要因素.目前針對地形對面板堆石壩應力變形影響的研究,一般多采用有限元數值模擬的方法[3],建立壩體及其所處復雜地形的有限元模型,同時模擬壩體填筑及蓄水過程,計算分析地形對面板堆石壩壩體、面板、周邊縫應力變形的影響.岑威鈞等[4]討論了高陡岸坡對面板壩應力變形的影響,得到了高陡岸坡會引起相應部位面板拉應力及周邊縫張開偏大的結論；楊杰等[5]研究了河谷兩岸階地和陡岸坡對面板壩應力變形的影響程度；程嵩等[6]深入探討了不同寬高比的河谷對面板堆石壩應力變形的影響；黨發(fā)寧等[7]定義了新的河谷參數,并分析這些參數對面板壩應力變形的影響.以上研究主要針對的是狹窄河谷下的岸坡地形,沒有關注河床部位建基面地形對壩體以及面板應力變形的影響.

本文針對處于兩種特殊地形組合下(建基面傾向下游以及河床中部局部凸起)的面板堆石壩,采用非線性有限元方法,分析壩體與面板的應力變形分布規(guī)律,為類似工程提供借鑒.

1 計算模型及參數

1.1 計算概況及有限元模型

計算模型依托江西某在建抽水蓄能電站下庫面板堆石壩,最大壩高77.5 m,壩頂高程268.7 m,正常蓄水位262.0 m.大壩坐落于約570 m 的寬河谷之上,河谷地形總體傾向下游,在河谷中部靠近上游壩坡位置存在局部凸起.

根據大壩所在地形條件、壩體材料分區(qū)構建圖1所示的有限元模型,共有24 576個單元和29 127個結點,單元形式為六面體及其退化單元.模擬壩體填筑蓄水的全過程,共分18級進行計算,其中1～12級為壩體填筑施工,第13級為混凝土面板澆筑,第14級為壩頂(含防浪墻)施工,第15～16、17～18級分別為蓄水至死水位及正常蓄水位,如圖2所示.計算采用增量法求解有限元非線性方程組,壩體填筑每級荷載分4個增量步,蓄水每級分8個增量步計算.在模型底部施加豎直向約束,兩岸山體邊界施加壩軸向約束,上下游基巖邊界施加順河向約束.河床部位基巖形態(tài)如圖3所示.

圖1 三維有限元網格

圖2 材料分區(qū)及填筑蓄水順序

圖3 河床部位基巖形態(tài)圖

計算采用河海大學聯(lián)合華東勘測設計研究院研發(fā)的“土石壩靜、動力流固耦合可視化分析軟件”,又稱“SDAS”有限元計算軟件.該軟件曾應用于天生橋一級、水布埡、天荒坪、宜興、績溪、衢江等眾多土石壩工程.

1.2 本構模型

面板壩基巖、混凝土面板及壩頂防浪墻采用線彈性模型進行計算.面板和墊層之間設置Goodman單元進行計算.

混凝土面板垂直縫與周邊縫采用連接單元模擬,應力位移關系為

其中：τyx、σyy、τyz分別表示接縫連接單元順縫向、張拉方向與垂直縫向的應力；δyx、δyy、δyz分別為周邊縫連接單元在剪切向、張拉向和沉陷3 個方向的位移.勁度系數k yx、k yy、k yz根據相應方向上力F與位移δ的關系求導而得,即k=dF/dδ.接縫材料力F與位移δ的關系參照河海大學在“七五”國家重點科技攻關期間對天生橋工程面板接縫材料所作的試驗結果,見表1.

表1 面板接縫材料力F 與位移δ 的關系試驗結果

堆石體采用劉斯宏等[8]提出的hhu-KG 模型計算,該模型能夠較合理地考慮堆石材料的剪脹性.模型的應力應變關系如下：

式中：K、G、J分別為體積模量、剪切模量及耦合模量,具體計算如下：

式中：Rf、Mf分別為破壞比和峰值應力比為變換應力空間[9]中的平均主應力和廣義剪應力；KG、n2為試驗擬合參數.

采用劉斯宏等[10]考慮土體細觀結構特征建立的剪脹關系

式中：η=q/p；m為參數；M為臨脹應力比,即土體從剪縮變?yōu)榧裘洉r的應力比.

Mf和M通過下式求出

其中：φ=φ0-為內摩擦角；ψ=ψ0-Δψ·為臨脹內摩擦角.

該本構模型共有m,φ0,Δφ,ψ0,Δψ,Kb,n1,KG,n2,Rf共10個參數,這些參數均可通過等向壓縮試驗和常規(guī)三軸試驗得到.

1.3 計算參數

hhu-KG 模型計算參數采用同類型的灘坑面板堆石壩工程參數[8],由若干組固結排水三軸試驗結果擬合得到,見表2.

表2 模型計算參數

圖4為三軸試驗結果和模型預測曲線的結果對比圖,可以看出該模型在凸顯材料剪脹性的同時,能較好地與試驗結果相吻合.

圖4 試驗結果與模型預測對比

2 計算結果分析

2.1 壩體應力變形

圖5為竣工期典型剖面應力位移分布圖.

圖5 竣工期典型剖面應力位移分布

從圖5(a)可以看出,壩體產生向下游位移的區(qū)域明顯要大于向上游位移區(qū)域,且向下游位移的極值遠大于向上游位移的極值,明顯與建基面水平且無凸起的情況下,竣工期壩體填筑完成后,壩體順河向位移基本沿著壩軸線呈對稱分布的不同.圖5(b)為竣工期沉降分布圖,可以看出,堆石體最大沉降也靠近下游側.圖5(c)為竣工期大主應力分布圖,在堆石體自重作用下,壩體應力隨著位置高程的減小而增大,應力最大值位于最大斷面的建基面凸起部位附近,應力等值線在建基面凸起部位分布相對密集.

圖6為竣工期壩體縱剖面應力位移分布圖.如果是常規(guī)地形條件,壩體最大壩高位于河床中心位置,此時的軸向位移規(guī)律應為：壩體在自重作用下,以河床中心為界,左岸壩體產生向右岸位移,右岸壩體產生向左岸位移.但從圖6可以看出,當河床中間地形存在凸起時,靠近岸坡位置的壩體位移與常規(guī)地形下的位移規(guī)律相似,而凸起部位附近堆石體的位移規(guī)律相反.這是由于河床中部凸起限制了堆石體原本的位移,并使其產生了相反方向的位移.同樣由于河床中部地面線的抬升,堆石體的沉降位移極值沒有出現在河谷中心,而是在凸起兩側最大壩高斷面約1/2壩高處產生了兩個極值.而壩體縱剖面最大主應力位置也沒有出現在最大壩高的建基面位置,而是出現在凸起部位附近.

圖6 竣工期縱剖面應力位移分布

圖7為蓄水期壩體典型剖面應力位移分布圖.與竣工期相比,由于上游水壓力的作用,向下游順河向位移顯著增大；沉降位移規(guī)律基本一致；大主應力數值略有增大,規(guī)律基本一致,但局部凸起部分應力增大幅度較明顯,這是由于上游水壓和局部凸起的互相擠壓作用導致的.

圖7 典型剖面蓄水期應力位移分布

2.2 面板應力變形

圖8為蓄水期混凝土面板應力位移分布圖.與壩體沿壩軸向位移相比,面板沿壩軸向位移具有相似的規(guī)律：以中間線為界對稱分布,左岸面板產生向右岸的位移,右岸面板產生向左岸的位移.由于凸起地形影響,面板在該位置產生較小與正常規(guī)律相反的位移,面板撓度也出現了兩塊極值區(qū)域.

圖8 蓄水期面板應力位移分布

圖8(c)為面板軸向應力分布圖,圖中正值代表壓應力,負值代表拉應力.可以看出,除了靠近兩岸的面板及中間凸起位置存在局部拉應力以外,面板大部分處于受壓狀態(tài),且以凸起部分為界,形成了兩塊壓應力區(qū)域.產生拉應力的原因在于：由于水荷載作用,面板總體上呈現向中間產生位移的形式,但山體的約束作用,會限制兩岸面板的軸向位移,從而產生拉應力.而在凸起部位,面板產生相反方向的軸向位移使得面板拉開,從而產生拉應力.圖8(d)為面板順坡向應力分布圖,由于地形傾向下游,在水壓力作用下,面板在靠近趾板位置出現了類似“折斷”的效果,從而在此處產生了拉應力.由于面板是作為壩體的防滲結構,且是混凝土材料,承受拉應力的能力較弱,故面板拉應力對大壩安全是較為不利的,應采取工程措施進行解決.

2.3 面板接縫位移

圖9為蓄水期面板垂直縫張開位移圖.紅色部分表示該位置垂直縫發(fā)生了張開,數字為張開量.可以看出,與面板軸向應力分布相對應,除在靠近兩岸及中間凸起的位置,面板受到拉應力,垂直縫出現了張開現象,其余部位面板均處于閉合狀態(tài).

圖9 面板垂直縫張開位移(單位：mm)

圖10為蓄水期面板周邊縫三向位移圖.圖中僅統(tǒng)計縫位移的絕對值.可以看出,面板周邊縫在左右岸坡及河床凸起附近產生相對較大的張開位移,在岸坡附近產生相對較大的沿壩軸向位移,而沿面板法向位移整體較小.總體上,周邊縫的三向位移數值均不大,說明該特殊地形對周邊縫位移的影響不大,止水系統(tǒng)能夠正常運行.

圖10 面板周邊縫三向位移(單位：mm)

3 結論

面板堆石壩作為我國水利水電工程建設中的重要壩型,其應力變形特性受到地形的影響非常顯著.本文采用非線性有限元方法,對坐落于具有特殊寬闊河谷地形上的面板堆石壩進行有限元應力變形分析.

研究發(fā)現：寬闊河谷中的面板堆石壩,若河床地形傾向下游,會增大壩體在竣工期的向下游位移,并使得較大部分壩體區(qū)域的順河向位移指向下游.在蓄水期,由于水壓力的推動作用,壩體向下游位移會增大,影響壩體穩(wěn)定.因此在遇到傾向下游地形時,建議適當增加壩后壓坡體方量,限制壩體的向下游位移.

河床中部的凸起地形會改變壩體及混凝土面板的應力位移分布,主要表現在將應力變形的分布規(guī)律劃分成兩塊對稱的區(qū)域,并在凸起部位附近的應力等值線較密集且數值較大,可能發(fā)生破壞.中部凸起會限制壩體及面板向中部的移動,并在凸起部位附近產生相反方向的位移,導致該部位面板拉應力的產生,面板垂直縫出現張開現象.建議在遇到該地形條件時,做好削坡處理,使得地形均勻過渡,或提高凸起部位混凝土面板的含筋率,增加其抗裂能力.