基于數(shù)值模擬的混凝土面板堆石壩變形特征研究

李 偉,徐廣勇

(費縣許家崖水庫管理中心,山東 臨沂 273400)

1 概 述

隨著我國水利水電工程的快速發(fā)展,混凝土面板堆石壩逐漸成為我國水電站壩體的主要壩型之一。但受到水位升降、地震及多種內(nèi)外應力的影響,混凝土面板堆石壩在運營過程中可能發(fā)生滲透破壞、開裂及變形過大等工程問題。

針對混凝土面板堆石壩的變形及破壞機理問題,許多學者進行了相關研究與分析。池侖等[1]基于大量的實際工程,總結(jié)分析了混凝土面板堆石壩施工后壩頂沉降及面板應變特性,并在此基礎上,總結(jié)了壩體變形的影響因素。陳小攀等[2]基于數(shù)值模型,研究了混凝土面板堆石壩應力變形特性。結(jié)果表明,壩體竣工期的變形占壩體高度的0.63%左右;而蓄水期的沉降變形有所增大,占壩高的0.66%左右。并在壩體變形特性的基礎上,提出了合理的治理措施。劉永濤等[3]基于現(xiàn)場監(jiān)測資料,詳細分析了混凝土面板堆石壩水下面板裂縫成因,并采用數(shù)值模擬,對裂縫的形成和擴展過程進行模擬。結(jié)果表明,溫度對裂縫的形成影響較小,而施工質(zhì)量是裂縫形成和擴展的主要誘因,實際工程中應著重考慮施工質(zhì)量監(jiān)督。歐波等[4]采用三維有限元,研究了流變效應對狹窄河谷高面板堆石壩應力變形的影響。結(jié)果表明,考慮流變效應的堆石壩變形相較于不考慮流變效應的變形和應力均有所增大,因此,在峽谷地區(qū)設壩時,要充分考慮流變效應。左雷高等[5]依托天星壩水庫混凝土面板堆石壩工程,采用數(shù)值有限元,詳細分析了堆石壩在施工期和竣工期的應力應變特性。結(jié)果表明,采用肯-張E-B模型,對壩體的變形特性進行分析與實際情況基本一致,表明壩體方案設計的可行性。楊星等[6]以混凝土面板堆石壩為研究對象,研究了堆石壩在正常蓄水位下的應力應變特性。結(jié)果表明,正常蓄水位下,面板處于受拉狀態(tài),蓄水后面板發(fā)生變形,但整體來看,變形滿足規(guī)范的安全性要求。王開拓[7]基于有限分析方法,分析了面板水平縫對蓄水面板的應力應變影響。結(jié)果表明,裂縫數(shù)量可以弱化裂縫周圍的應力狀態(tài),面板壓應力與面板的裂縫寬度呈反相關關系。利光彬、季日臣[8]采用數(shù)值計算,分析了鑲嵌式混凝土面板堆石壩應力變形。結(jié)果證明,混凝土面板堆石板比普通大壩對于減小上游位移和沉降量更優(yōu)。隨著壩體高度的增大,面板拉應力和裂縫值逐漸減小。梁希林、劉楓[9]基于雙溝水電站面板堆石壩工程,采用反演法,分析了該壩的變形特征。結(jié)果表明,反演法能夠合理解釋水庫蓄水3年后的變形,為相似工程的設計與計算提供了新的思路。

本文基于數(shù)值模擬,分析某混凝土面板堆石壩在蓄水期間堆石壩的應力應變特性,研究成果可為類似工程設計提供參考與借鑒。

2 工程概況

某新建混凝土面板項目,壩址所在河流長4km,整條河流坡降約40%。壩體主要組成部分由堆石區(qū)、混凝土面板、趾板等組成。其中,混凝土面板采用C25混凝土制作,大壩總高度32m,頂寬約5m。規(guī)模為IV級。堆石壩上游和下游坡比均為1:1.5。根據(jù)相關規(guī)范,大壩設計的洪水重現(xiàn)期為30年。對應的設計洪水位430.11m,校核洪水位431.16m。水庫的正常蓄水位430m。該混凝土面板堆石壩的典型剖面圖見圖1。

圖1 堆石壩典型剖面圖

3 數(shù)值模型

3.1 數(shù)值模型與參數(shù)

為充分考慮混凝土面板壩長期變形效應,本文采用ABAQUS數(shù)值軟件進行建模和計算,模型的本構參數(shù)選用能夠模擬材料長期變形的亞塑性本構模型。該模型通過材料的硬度系數(shù)變化,分析材料剛度的影響,最終模擬材料長期的變形特性。

根據(jù)圖1建立數(shù)值計算模型,模型網(wǎng)格共822個,采用雙線性四邊形單元格進行模擬。混凝土面板與過渡層、過渡層與堆石料之間的法向接觸均采用硬接觸模擬,切向接觸均采用罰函數(shù)定義。本文模型計算所采用的物理力學參數(shù)見表1?；炷敛牧虾突捎美硐氲膹椥员緲嬤M行考慮,其中彈性模量20GPa,泊松比0.18,密度2 500 kg/m3。為了計算簡便,假設壩體基礎為剛性基礎,并約束底部3個方向的自由度,左右邊界和上邊界均為自由邊界。

表1 材料力學參

表1中,k0為材料硬度;fs剛度系數(shù);k1為風化后的固體硬度;φ為初始摩擦角;ed為最小孔隙比;ec臨界孔隙比;ei為最大孔隙比;α、β為系數(shù)。

3.2 計算步驟

為了充分模擬壩體的長期變形效應,本文模擬步驟如下:①首先進行初始應力分析,得到重量荷載下的應力分布;②激活主堆石和趾板計算;③計算水位上升導致的堆石壩變形;④模擬堆石壩材料和過渡層剛度退化導致的長期變形。

4 計算結(jié)果與分析

首先使用參數(shù)A進行計算分析,得到大壩垂直位移等值線,見圖2。由圖2可知,蓄水初期,大壩下游處的變形基本為零;隨著蓄水時間長度的增大,下游側(cè)逐漸產(chǎn)生變形。此外,在混凝土板的1/2處,垂直變形最大。由于材料的硬度下降,進一步導致壩體發(fā)生蠕變效應。根據(jù)蓄水和15年后的孔隙比降低曲線發(fā)現(xiàn),大壩孔隙比降低等值線的變化趨勢基本與垂直位移一致。蓄水初期,大壩下游處孔隙比降低基本為零;隨著時間的增大,孔隙比降低向下游擴展,見圖3?？傮w來看,在本文假定的材料硬度改變下,壩體長期變形相較于蓄水導致的變形更為顯著。

圖2 大壩垂直位移等值線 (單位: cm)

圖3 大壩孔隙比降低等值線

圖4為水庫不同時段混凝土面板的撓度曲線。其中,曲線2為蓄水初期變形曲線,曲線3為蓄水第一年變形曲線,曲線4為蓄水兩年后的變形曲線,曲線5為蓄水3年后的變形曲線。圖4表明,蓄水不同時段混凝土面板的撓度變化并不明顯,最大撓度發(fā)生在面板中心位置。此外,長期蓄水會導致混凝土面板頂部發(fā)生明顯的單調(diào)增大效應。

圖4 混凝土面板變形

圖5為大壩運營3年內(nèi)的壩體長期蠕變過程的數(shù)值計算結(jié)果。由圖5可知,在計算的3年內(nèi),3種參數(shù)下,大壩壩頂?shù)某两稻憩F(xiàn)出隨時間的增大而先增大后趨于穩(wěn)定。對于A參數(shù)而言,壩頂變形主要集中于前兩年內(nèi);對于B參數(shù)而言,壩頂變形主要集中于前1.5年內(nèi);對于C參數(shù)而言,壩頂變形主要集中于前0.8年內(nèi)。此外,3種參數(shù)對于壩頂?shù)淖畲蟪两底冃沃涤兴煌?。A參數(shù)得到的壩頂最大沉降為0.06%壩高,B參數(shù)得到的壩頂最大沉降為0.1%壩高,C參數(shù)得到的壩頂最大沉降為0.12%壩高?？傮w來看,在本文考慮的亞塑性本構模型下,材料的蠕變變形與材料的硬度系數(shù)有關,即壩體的最終蠕變值、最終硬度值均與初始硬度值的差值有關。

圖5 大壩蓄水3年內(nèi)的變形

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

本文采用亞塑性模型,研究了混凝土面板堆石壩在蓄水后變形特征,結(jié)論如下:

1)亞塑性本構模型能夠充分考慮材料的蠕變特性,對于描述大壩在蓄水多年后的蠕變變形是比較合理的。

2)由于材料的硬度下降,材料剛度退化,導致壩體發(fā)生蠕變效應。根據(jù)蓄水初期和15年后的變形等值線圖和孔隙比降低曲線發(fā)現(xiàn),壩體長期變形相較于蓄水導致的變形更為顯著;蓄水不同時段面板的撓度變化并不明顯,最大撓度發(fā)生在面板中心位置。蓄水長期會導致混凝土面板頂部發(fā)生明顯的單調(diào)增大。

3)材料的蠕變特性與材料的硬度系數(shù)有關。具體來看,壩體的最終蠕變值、最終硬度值均與初始硬度值的差值有關。

5.2 建 議

混凝土面板堆石壩具有適應性強、建設成本低、度汛方便、施工效率高等優(yōu)點,成為較為常見的壩體類型。為了保證施工質(zhì)量,需要做好原材料質(zhì)量控制、選擇合格的筑壩材料、做好科學配比;加強壩體填筑過程質(zhì)量控制,尤其是分層厚度及壓實度需滿足要求;混凝土面板澆筑振搗密實,及時做好收面、養(yǎng)護,避免面板裂縫及滲漏,進而控制混凝土面板堆石壩變形。