基于有限元法的魯班水庫干砌條石重力壩除險加固效果分析

侯程,吳一杰,曹選平,劉波,陳姚

(1.中水君信工程勘察設(shè)計(jì)有限公司,成都,610073;2.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,成都,610039)

0 引言

我國砌石壩數(shù)量眾多,高度15m以上的砌石壩已超過2000多座,其中壩高超過70m的有30多座,大部分建造于改革開放以前,多數(shù)大壩運(yùn)行至今超過40年,已步入老壩的行列,尤其汶川大地震后,部分壩體受到地震影響加劇了變形、滲流等問題發(fā)生的速度,因此關(guān)注壩體除險加固,開展水庫大壩的應(yīng)力應(yīng)變分析,評價其穩(wěn)定性、安全性顯得尤為重要[1-2]。在不同材料的接觸面,由于兩側(cè)材料性質(zhì)的差異使其存在較大的應(yīng)力和應(yīng)變,面板砌石壩中面板與墊層間的接觸面常常會發(fā)生較大的變形和應(yīng)力集中,因此,面板的應(yīng)力、變形與開裂往往是受到最大關(guān)注的問題[3-4]。針對防滲面板的修復(fù)方案中,在原防滲面板上游重新增設(shè)鋼筋混凝土防滲面板技術(shù)較為可靠,對較高的漿砌石壩,保證上游壩面防滲面板及壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是防滲加固成功與否的關(guān)鍵[5]。

本文結(jié)合魯班水庫干砌條石重力壩現(xiàn)狀,進(jìn)行除險加固方案設(shè)計(jì),采用ANSYS軟件對除險加固前后的壩體和面板進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算,分析壩體靜力穩(wěn)定性與面板受力情況,評價水庫大壩除險加固方案的可行性及整治效果,為類似工程提供一定的參考。

1 現(xiàn)狀與除險加固措施

1.1 水庫工程現(xiàn)狀

魯班水庫是一個大(2)型囤蓄水庫,位于三臺縣魯班鎮(zhèn)境內(nèi),工程等級為Ⅱ等,主要建筑物級別為2級。庫正常蓄水位460m,總庫容2.94億m3,有效庫容2.1億m3。

樞紐主壩為鋼筋混凝土面板干砌條石重力壩,最大壩高68.0m,壩頂高程462.0m,壩頂長315m,寬8.0m;最大壩底寬122.4m,上游壩坡1∶0.7,在高程418m設(shè)有一級馬道,下游壩坡1∶1,分別在高程415m、430m、445m處設(shè)有馬道,馬道寬2m～3.5m。在壩內(nèi)設(shè)有一條鋼筋混凝土灌漿廊道,寬2.5m,高3.5m,底部高程404.00m,壩內(nèi)廊道長120m(原河床壩基段長24.28m)。經(jīng)檢測,水庫大壩面板有明顯裂縫24條、滲漏點(diǎn)5個、混凝土明顯剝落4處,以及伸縮縫止水材料大部分已塌陷存在多條裂縫,導(dǎo)致壩體存在一定的安全隱患,急需整治。

1.2 除險加固方案

大壩現(xiàn)狀面板采取高壓水流沖毛后,增設(shè)一塊40cm厚C25W10F100鋼筋混凝土面板,高程439.00m以下沿原分縫兩側(cè)分別增設(shè)1.5m寬40cm厚C25W10F100鋼筋混凝土補(bǔ)強(qiáng)肋板,面板底部增設(shè)4.2m寬60cm厚C25W10F100鋼筋混凝土趾板,趾板與原壩體基座接觸部位設(shè)2道銅止水,與原混凝土之間采用φ25錨筋連接,長度L=0.55m,伸入原混凝土層20cm,間排距為1.0m,梅花形布置。分界梁處增設(shè)一條水平縫,面板除17#和18#面板增設(shè)一條垂直縫外,其余分縫均與原縫對齊布置。壩體中部采用垂直壓縮縫并設(shè)止水,兩壩肩設(shè)垂直張拉縫并設(shè)止水,形成防滲封閉體系。

2 有限元計(jì)算模型及計(jì)算條件

2.1 本構(gòu)模型的選擇

墊層區(qū)及干砌條石主要采用Ducan E-B模型進(jìn)行模擬計(jì)算,該模型是一種建立在增量廣義虎克定律基礎(chǔ)上的非線性彈性模型?；炷撩姘宀捎镁€彈性模型進(jìn)行計(jì)算,線彈性材料本構(gòu)關(guān)系服從廣義胡克定律,即應(yīng)力應(yīng)變在加卸載時呈線性關(guān)系[6-7]。地基采用D-P屈服原則,不考慮中間主應(yīng)力的影響。

采用接觸單元模擬鋼筋混凝土面板干砌條石重力壩模型中壩體與邊坡、地基的接觸面。面板與墊層之間采用面-面接觸單元以模擬接觸特性,趾板與面板周邊縫及面板間垂直縫采用分離縫模型來模擬。

2.2 三維有限元模型及計(jì)算條件

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)及已有資料,確定三維有限元模型范圍:壩基向下延伸兩倍壩高,上下游分別延伸100m,壩左右岸分別外延65m和58m。采用ANSYS軟件建立整治前后三維有限元模型。模型的X向?yàn)閴屋S線方向,垂直于水流方向指向左岸為正;Y軸為水流方向,指向上游為正;Z軸為豎直方向,豎直向上為正。模型底部施加全約束,地基四周邊界施加法向約束。壩體材料分區(qū)及相關(guān)參數(shù)見表1。

采用四面體單元,整治前工程整體三維模型網(wǎng)格剖分如圖1所示,剖分單元總數(shù)為1800564個。整治后工程整體三維模型網(wǎng)格剖分如圖2所示,剖分單元總數(shù)為6312730個。

圖1 整治前工程整體三維模型網(wǎng)格

圖2 整治后工程整體三維模型網(wǎng)格

這里主要分析大壩常年運(yùn)行工況-正常蓄水位(460.00m)工況。計(jì)算荷載主要考慮自重、靜水壓力及揚(yáng)壓力。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果以受壓為負(fù),受拉為正。

3 計(jì)算成果與分析

3.1 除險加固前壩體的應(yīng)力變形分析

(1)根據(jù)圖3和圖4位移分布可見,整體以豎向變形為主。壩體豎向位移量與所在位置的壩體砌石高度基本成正比,壩體最大沉降值出現(xiàn)在下游堆石區(qū),其值為37mm。水平位移主要來源于上游側(cè)向水壓力作用產(chǎn)生的偏移,隨著水深增加,呈現(xiàn)從頂部到中下部逐漸增大的趨勢,符合一般規(guī)律,下游壩址處為壩體與壩基接觸部位,壩基對壩體產(chǎn)生水平向約束,因此在此處產(chǎn)生最大水平位移。

圖3 整治前綜合位移

圖4 整治前y向位移

面板整體變形以豎向位移為主,鉛直方向變形隨高程增加而增大,與壩體變形規(guī)律一致。在水壓力作用下,變形基本指向面板內(nèi)法向,呈現(xiàn)從面板中間到兩岸壩肩逐漸變小的趨勢,在面板底部有少部分區(qū)域變形方向指向面板外法向,不影響整體計(jì)算結(jié)果,符合模型計(jì)算規(guī)律,最大y向位移值為0.57mm。面板在荷載作用下整體出現(xiàn)向左岸變位,最大位移值為9.28mm,位于壩體右岸處。

(2)由圖5和圖6應(yīng)力分布可見,壩體主應(yīng)力值隨壩體高程的增加而呈遞減趨勢,自重效應(yīng)明顯,符合一般規(guī)律。在下游馬道處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。面板整體應(yīng)力分布態(tài)勢較為均勻,順坡應(yīng)力和軸向應(yīng)力分布規(guī)律較好,總體屬于受壓狀態(tài),應(yīng)力值從中部到兩側(cè)逐漸減小,最大壓應(yīng)力值為5.41MPa。在面板底部表面與壩基交接處出現(xiàn)拉應(yīng)力和應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 整治前第一主應(yīng)力

圖6 整治前z向主應(yīng)力

3.2 除險加固后壩體的應(yīng)力變形分析

兩種除險加固方案計(jì)算結(jié)果基本相同。

(1)由圖7和圖8可見,除險加固后,壩體應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律基本相似且與加固前數(shù)據(jù)差距較小。即整體變形呈現(xiàn)以豎向變形為主,壩體豎向位移量與所在位置的壩體砌石高度基本成正比,從壩基到壩頂逐漸增大。壩體最大沉降值同樣出現(xiàn)在下游堆石區(qū),其值為42.9mm,僅較整治前增大5.9mm。水平上位移呈現(xiàn)從頂部到底部逐漸增大的趨勢。面板變形基本指向面板內(nèi)法向,呈現(xiàn)從面板中間到兩岸壩肩逐漸變小的趨勢,最大y向位移值為6.49mm,較整治前增大5.92mm,在新增面板后該位移仍然較小,面板底部有少部分區(qū)域變形方向指向面板外法向。

圖7 整治后綜合位移

圖8 整治后y向位移

(2)由圖9和圖10可見,壩體主應(yīng)力值隨壩體高程的增加而呈遞減趨勢,自重效應(yīng)明顯,符合一般規(guī)律,在下游馬道處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。說明新增面板對面板壩整體的應(yīng)力分布影響較小,壩體結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定。面板總體屬于受壓狀態(tài),應(yīng)力值從中部到兩側(cè)逐漸減小,最大應(yīng)力值為4.41MPa。在面板底部表面與壩基交接處受到拉應(yīng)力,且出現(xiàn)應(yīng)力較為集中現(xiàn)象。

圖9 整治后第一主應(yīng)力

圖10 整治后z向主應(yīng)力

3.3 除險加固前后面板應(yīng)力對比分析

經(jīng)計(jì)算分析,面板靠近壩基位置部分表面易出現(xiàn)拉應(yīng)力,需重點(diǎn)關(guān)注整治前后該部位的應(yīng)力變化。以壩體最大斷面(壩橫170斷面)為例,由面板表面對應(yīng)高程處整治前后應(yīng)力對比(圖11)可以看出,整治后,面板表面在相同高程處的拉應(yīng)力相比整治前略有降低,應(yīng)力分布規(guī)律保持不變,在面板底部與壩基交接處的應(yīng)力集中也得到了緩解。

圖11 壩橫170斷面整治前后應(yīng)力對比

為了更直觀全面地對比整治前后面板應(yīng)力的變化,分別取整治前后面板表面底部、中部及頂部三個高程處相應(yīng)的左岸、中部及右岸共9個特征點(diǎn)進(jìn)行主要應(yīng)力比較,各特征點(diǎn)應(yīng)力情況如表2所示。

從表2可見,相同高程的面板表面處的應(yīng)力在中部明顯比兩岸處更小,總體來說,面板底部的應(yīng)力更大。面板在整治前后對應(yīng)點(diǎn)位置大部分應(yīng)力變化不大,其中第一主應(yīng)力在面板頂部顯著降低,在1/2高程處有少許增高,而在底部變化很小,新增加的混凝土面板表面應(yīng)力分布與整治前規(guī)律幾乎一致,說明新增面板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過壩體整治前后有限元分析,可以得出如下結(jié)論:

(1)采用Ducan E-B本構(gòu)模型能夠較合理地反映壩體的工作性態(tài)。除險加固前后壩體及面板的應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果表明,面板應(yīng)力和位移分布情況均符合一般規(guī)律。

(2)除險加固前,壩體的位移以豎向位移為主,位移量與所在位置的壩體高度基本成正比。壩體主應(yīng)力自重效應(yīng)明顯,整體受壓。面板處應(yīng)力值從中部到兩側(cè)逐漸減小,面板表面與壩基交接處出現(xiàn)拉應(yīng)力集中效應(yīng)。

(3)除險加固后,壩體應(yīng)力變形規(guī)律與除險加固前幾乎一致,應(yīng)力與位移量值相差不大。在表面新增面板,增強(qiáng)壩體防滲性的同時減小了面板所受拉應(yīng)力,有效緩解了面板與壩基交接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象,保證了工程的安全性,但仍應(yīng)注意新建面板的級配和施工質(zhì)量,在壩體面板受拉顯著區(qū)域加大配筋密度,提高抗拉強(qiáng)度。

總體來看,除險加固整治后,壩體整體應(yīng)力分布處于穩(wěn)定狀態(tài)。新增面板應(yīng)力分布規(guī)律與原面板一致,應(yīng)力大小總體差距不大,且部分拉應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效緩解,說明新建面板結(jié)構(gòu)安全,進(jìn)一步驗(yàn)證了除險加固方案的可行性,亦可為類似工程提供借鑒參考。