復雜地形條件下高面板堆石壩應力變形的三維有限元分析

復雜地形條件下高面板堆石壩應力變形的三維有限元分析

自20世紀80年代以來，中國的混凝土板堆填技術取得了很大進步，無論水庫數(shù)量還是水庫高度，都處于世界領先地位。然而，目前混凝土板堆填的設計和施工水平仍然取決于工程經(jīng)驗，尤其是在特殊地形和地質(zhì)條件下的高板堆填石壩。目前還缺乏一套完整的工程經(jīng)驗。理論研究成果已成為項目的重要依據(jù)。某工程可行性研究階段的推薦壩型為混凝土面板堆石壩.大壩高107m,上游壩坡為1∶1.4,下游壩坡按變坡設計,綜合壩坡1∶1.487.大壩壩址處岸坡陡峻且起伏變化大,岸坡平均自然坡度約為1∶0.2.在壩軸線處,兩岸大部分岸坡幾乎直立且上部岸坡突然向兩岸拓寬,河谷大致呈對稱的復式矩形斷面.在面板部位,左岸岸坡幾乎直立,右岸為一斜陡坡,且在上部有一水平臺地.整個大壩所處河谷,從上游到下游均有多處較大起伏或突變.目前國內(nèi)外尚未見如此復雜地形條件下的已建面板壩.為此,本文運用三維非線性有限元法分析了這種“惡劣”地形條件下高面板堆石壩的應力變形特性,并研究了復雜地形邊界對大壩應力變形可能產(chǎn)生的不利影響及相應對策.1堆磨料應力應變模型修正堆石料的變形不僅隨荷載大小變化,而且還與加載的應力路徑有關,應力應變呈明顯的非線性關系.除此之外,堆石料應力應變關系還具有壓硬性、剪脹性和各向異性等特征.目前,堆石料常用的本構(gòu)模型主要有彈性非線性模型和彈塑性模型2類.其中彈性非線性模型中的鄧肯雙曲線模型因使用簡便,參數(shù)確定經(jīng)驗豐富,計算結(jié)果與實測結(jié)果較為符合,在工程界得到了普遍應用.文獻建議在三維計算時應對該模型進行修正,即用平均主應力p代替小主應力σ3,廣義剪應力q代替主應力差σ1-σ3,以考慮中主應力σ2的影響.本文采用按上述方法修正的鄧肯E-B模型來描述堆石料的應力應變關系.混凝土面板與壩體墊層料性質(zhì)相差懸殊,因此可在兩者之間設置無厚度的Goodman接觸單元,以模擬兩者之間的相互作用.此外,為了反映面板垂直縫和周邊縫中止水材料的力學作用,計算中用六面體連接單元進行模擬.本文計算中大壩各分區(qū)堆石料的材料參數(shù)、接觸面參數(shù)及止水材料連接單元模型參數(shù)均借用天生橋一級面板壩工程的相關參數(shù).混凝土材料采用線彈性模型,材料常數(shù)取為:ρ=2.45g/cm3,E=20GPa,μ=0.167.2三維非線性開采的計算與分析2.1單元剖分和加載計算域邊界選取時完全模擬了現(xiàn)有的復雜地形條件.整個計算域共剖分結(jié)點2455個,單元1871個,其中,面板單元和接觸單元均為137個,面板垂直縫單元126個,周邊縫單元27個,剖分的網(wǎng)格如圖1所示.計算過程詳細模擬了壩體的分期分斷面施工、面板的分期澆筑和庫水位的分期蓄降,加載次序如圖2所示.2.2大壩堆石體應力竣工期大壩堆石體向上下游最大水平位移分別為19.2cm和27.7cm,最大沉降為67.6cm,最大沉降點大約位于壩高2/3處,沉降率為0.64%,這些數(shù)值均在堆石壩變形的合理范圍之內(nèi).壩體向上游的水平位移明顯小于向下游的水平位移,這主要是由于先期填筑的一期“子壩體”受庫水預壓后變形模量有所增大且對后期壩體向上游的變形有一定限制作用,以及壩體次堆石料較主堆石料“軟”的緣故.也正因如此,壩體的同一沉降值,其等值線范圍也偏向于下游次堆石區(qū).蓄水后,堆石體水平位移隨庫水位的增加而逐漸向下游發(fā)展.向上游的水平“鼓出”位移被庫水逐漸壓回,向下游的水平位移也有一定的增加.向上下游最大水平位移分別變?yōu)?.3cm和29.2cm,其中向上游的位移改變量明顯比向下游的位移改變量要大,這是由于庫水通過面板主要作用在上游壩體所致.同樣,庫水引起的壩體沉降變位增量也主要集中在上游主堆石區(qū)內(nèi),但由于上游主堆石模量較大,壩體豎向位移因蓄水引起的增量并不大,最大沉降僅增至70.0cm.圖3給出了大壩沿壩軸線縱剖面堆石體在竣工期和蓄水期的沉降等值線.由圖3可見,大壩堆石體的沉降變形規(guī)律較好,等值線分布與河谷輪廓相適應,最值區(qū)域位于壩體的中上部.兩岸直立岸坡對堆石體變形影響不是很明顯,但河床底部的突起對沉降等值線分布影響較大,等值線上凸明顯,說明該部位以上堆石體與兩側(cè)堆石體變形有較大的沉降梯度,這對壩體受力不利.大壩堆石體大小主應力分布及變化規(guī)律總體較好,大小主應力極值之比也符合堆石體應力分布的一般規(guī)律.竣工期大壩上下游側(cè)的主應力等值線總體上接近平行于壩坡,說明堆石體應力主要與“土柱”質(zhì)量(高度)相關.水庫蓄水后,上游堆石體主應力等值線較竣工期有明顯“上抬”,同一數(shù)值等值線的包含范圍也有所增加,這主要是水壓力作用的結(jié)果.計算表明,堆石體應力水平小于1.0,個別部位尤其是邊界突變處,應力水平接近于1.0,說明堆石體在這些部位可能會出現(xiàn)破壞區(qū).因此,施工前最好將突變的地形進行削坡和填塞處理,使建基面能夠平緩變化.2.3水庫防護體系的變形和應力2.3.1面板變形特點由于面板支撐于其下部的堆石體,面板的變形很大程度上依賴于堆石體的變形.面板的澆筑是在堆石體填筑完成后進行的,而此時壩體表面的位移已經(jīng)存在,因此面板在竣工期的變形主要是記憶了前期壩體表面的位移值,這在竣工期一期面板的變形中表現(xiàn)得尤為明顯.圖4為蓄水前后面板最大剖面處變形撓曲線.竣工期,一期面板凸向外側(cè)(上游),二期面板變位指向壩內(nèi)側(cè),整個面板的最大撓度值為脫離壩體6.49cm,位于一期面板的中上部.蓄水后,面板的最大撓度值為壓向壩內(nèi)19.24cm,位于二期面板的中下部,即大約位于整個面板的1/2高度處.這些明顯反映了壩體復雜加載和面板分期澆筑情況下的面板變形特點,與一般的壩體簡單加載和面板一次澆筑情況有實質(zhì)性區(qū)別.在這種情況下,外凸面板的上部因剛體位移有可能會與其下部墊層分離,出現(xiàn)面板脫空現(xiàn)象.蓄水后整個面板全都被庫水壓向壩內(nèi)側(cè).當可能的脫空區(qū)域和脫空值較大時,容易引起面板壓碎現(xiàn)象,設計和施工時應引起注意.圖5為蓄水前后面板沿壩軸向位移等值線.由于受河谷右岸陡斜坡的束窄作用,面板向河床方向發(fā)生“滑移擠壓”變形.竣工期面板,尤其是一期面板,基本上都向左岸河床變形.蓄水后,面板變形特性有所改變.左右兩側(cè)面板均向河床變形,使得河岸兩側(cè)的面板受拉,河床中間部位的面板受壓.2.3.2面板壩軸向應力分析竣工期面板應力主要集中在一期面板.二期面板因剛澆筑完工,且自重較小,因此二期面板無論是順坡向應力還是壩軸向應力數(shù)值均很小.整個面板順坡向應力基本上全為壓應力區(qū),最大壓應力為4.71MPa.另外,從壩軸向應力分布規(guī)律(圖6)可以看出,由于受右岸陡斜坡河谷對面板產(chǎn)生向河床方向的束窄作用,在一期面板的右岸部位出現(xiàn)了拉應力,最大值為0.23MPa,這與前述竣工期面板壩軸向變位規(guī)律相吻合.蓄水后,面板順坡向應力仍以壓應力區(qū)為主,但也出現(xiàn)較大的拉應力區(qū),主要集中在面板的頂部、底部及右岸面板局部區(qū)域,且3個區(qū)域連成了一片.順坡向最大壓應力為6.80MPa,最大拉應力為3.75MPa.面板壩軸向應力呈現(xiàn)出河谷中間部位受壓狀態(tài),最大壓應力為1.34MPa;兩側(cè)河岸部位呈受拉特性,最大拉應力為1.25MPa,這與前述蓄水期面板壩軸向位移分布規(guī)律相吻合.2.3.3周邊縫的變形竣工期面板接縫的三向變位值較小,大多處于“閉合”狀態(tài).蓄水后面板總體上由兩側(cè)河岸部位向河床方向變位,這使得河谷中部的面板垂直縫受壓,兩岸的面板垂直縫受拉,其中拉開位移最大值位于右岸的第1條垂直縫,為0.97cm.垂直縫的最大剪切位移為1.47cm.如果采用一道銅止水片,則有可能出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象,因此宜在銅止水片下增設一道氯丁橡膠止水帶,以適應兩側(cè)面板的相對變形.對于周邊縫,左岸直立坡處的周邊縫蓄水后全部拉開,右岸頂部也有少許拉開,最大拉開位移為0.54cm,大致位于左岸直立坡周邊縫的中下部.其余部位的周邊縫均是受壓位移.蓄水后,在大多數(shù)周邊縫部位面板向壩內(nèi)側(cè)發(fā)生沉降位移,最大沉陷位移1.12cm,大致位于右岸陡斜坡周邊縫的中下部.此外,周邊縫的剪切位移,基本上為面板相對于趾板向下剪切,最大剪切變位為0.64cm,大致位于左岸直立坡周邊縫的中部.蓄水后除部分周邊縫的受壓位移較大以外,其他各接縫的拉開、沉陷和剪切位移均在2cm以內(nèi),此數(shù)值小于止水片的通常變形極值,因此周邊縫的止水結(jié)構(gòu)能夠正常工作.3高面板壩體應力變形施工a.計算結(jié)果表明,兩岸高陡岸坡對壩體應力變形影響不是很明顯,但河床或河岸較大的起伏突變對壩體應力變形影響較大,容易引起堆石體變形的不協(xié)調(diào)和應力水平的上升.因此,施工前可采用“削峰填谷”的方法,使大壩建基面平順過渡.也可采用不同的堆石體填筑標準,使堆石體變形平穩(wěn)連續(xù).b.高陡岸坡對面板的應力變形影響較大,尤其斜陡坡,對面板的束窄作用明顯,容易導致面板出現(xiàn)較大拉應力區(qū)和周邊縫基本都拉開的情況.計算結(jié)果表明,對于百米