粘土心墻堆石壩的三維非線性有限元分析

摘 要：本研究中以xx粘土心墻堆石壩工程實(shí)例為計(jì)算分析對(duì)象，應(yīng)用中點(diǎn)增量法對(duì)粘土心墻堆石壩壩體在八級(jí)加載狀態(tài)下的變形以及應(yīng)力情況進(jìn)行了計(jì)算分析。三維非線性有限元分析結(jié)果顯示：該工程粘土心墻堆石壩應(yīng)力應(yīng)變符合基規(guī)律，壩體應(yīng)力形態(tài)以及變形形態(tài)基本良好，心墻壩部分垂直方向沉降最大值與已建相關(guān)工程觀測(cè)值基本一致，證實(shí)了三維非線性有限元分析計(jì)算方法具有高度可靠性。通過以上分析，以期通過對(duì)粘土心墻堆石壩進(jìn)行三維非線性有限元分析的方式，獲得粘土心墻堆石壩在應(yīng)力以及變形方面的基本規(guī)律以及表現(xiàn)特征。

關(guān)鍵詞：粘土心墻；堆石壩；三維非線性有限元

在壩工建設(shè)領(lǐng)域中，土石壩是非常常見的壩型之一。相較于其他壩工形式而言，土石壩的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在（1）對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)條件的適應(yīng)性好；（2）投入使用后壽命長(zhǎng)；（3）施工期間材料來源簡(jiǎn)單且方便；（4）現(xiàn)場(chǎng)管理便捷且有效；（5）施工成本造價(jià)低等多個(gè)方面，故而在當(dāng)前的壩工建設(shè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。但必須引起重視的問題是：雖然土石料的來源簡(jiǎn)單方便，但其內(nèi)部性質(zhì)構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜，加之目前尚無先進(jìn)的土石壩土石料結(jié)構(gòu)性能計(jì)算與試驗(yàn)方法，因此導(dǎo)致設(shè)計(jì)與施工存在一定的滯后性。采取何種方法充分了解土石壩的性能與特點(diǎn)，并應(yīng)用合理算法指導(dǎo)對(duì)土石壩的設(shè)計(jì)與施工作業(yè)開展，這一問題已成為目前相關(guān)人員的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)之一。以下研究中結(jié)合xx粘土心墻堆石壩實(shí)例，以三維非線性有限元分析方法為研究手段，展開對(duì)該粘土心墻堆石壩在壩體變形以及壩體應(yīng)力方面特點(diǎn)、規(guī)律的計(jì)算分析，望能夠指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 工程概況

xx粘土心墻堆石壩位于xx地區(qū)，工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示本粘土心墻堆石壩壩體整體高度為52.2m，壩體頂部寬度為9.0m，馬道上方兩側(cè)壩坡坡度均為1：1.7，以下兩側(cè)壩坡坡度均為1：1.8。粘土心墻堆石壩心墻部分頂部寬度為5.0m，坡度為1：0.25。反濾層方面，左側(cè)層厚厚度為4.0m，右側(cè)層厚厚度為6.0m。壩體寬度最大值為186.5m。死水位狀態(tài)下相對(duì)壩體高程為23.0m，蓄水位狀態(tài)下相對(duì)壩體高程為49.9m。

2 三維非線性有限元計(jì)算方法

xx粘土心墻堆石壩壩體施工期間采取逐級(jí)填筑的施工方案，為針對(duì)這一施工特點(diǎn)與流程進(jìn)行仿真模擬，體現(xiàn)在時(shí)間不斷推移過程中荷載作用力持續(xù)提升的規(guī)律，故中點(diǎn)增量法引入計(jì)算分析過程中，以輔助求解三維非線性方程組，這樣一來就能夠?qū)?fù)雜的非線性問題轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚砀鼮楹?jiǎn)單的單純性線性問題。三維非線性有限元分析中基本單元設(shè)置為六面體八節(jié)點(diǎn)等參單元，填充單元分別為五節(jié)點(diǎn)空間單元、六節(jié)點(diǎn)空間單元、以及七節(jié)點(diǎn)空間單元。本工程中整個(gè)粘土心墻堆石壩共劃分為530個(gè)節(jié)點(diǎn)以及434個(gè)單元。

在對(duì)本工程粘土心墻堆石壩進(jìn)行三維非線性有限元分析計(jì)算的過程中，應(yīng)用逐級(jí)增加荷載的方式對(duì)施工過程進(jìn)行模擬，共涉及到八級(jí)加載過程。其中，第1～第6級(jí)加載均為壩體填筑過程，第7級(jí)加載為空庫(kù)蓄水至死水位過程，第8級(jí)加載為死水位至正常蓄水位過程。

3 三維非線性有限元分析結(jié)果

3.1 壩體變形特點(diǎn)

本工程粘土心墻堆石壩竣工期間壩體垂直方向沉降最大值為30.60cm，最大垂直沉降作用力發(fā)生于壩高1/2區(qū)域壩軸線周邊。水平位移方面，向上游方向最大值為3.60cm，向下游方向最大值為3.5cm，分別位于中部壩體高上游/下游壩坡面附近，水平方向位移等值線以壩軸線為標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出基本對(duì)稱狀態(tài)。本工程粘土心墻堆石壩竣工期間壩頂下沉量為4.0cm。

正常蓄水位狀態(tài)下壩體垂直方向沉降最大值為34.6cm，數(shù)據(jù)提示：因蓄水所致粘土心墻堆石壩壩體附加垂直方向沉降值可控制在較小范圍內(nèi)，即對(duì)粘土心墻堆石壩壩體沉降等值線分布的影響相對(duì)較弱，沉降最大值出現(xiàn)在壩高1/2位置壩軸線附近。當(dāng)持續(xù)蓄水且水位達(dá)到正常區(qū)間時(shí)，蓄水內(nèi)部水荷載作用力有顯著改變，導(dǎo)致壩體上游部位水平方向最大位移值有所下降，且下降值在0.4cm左右，而相對(duì)于竣工期而言，下游方向水平位移增大14.6cm，導(dǎo)致整個(gè)粘土心墻堆石壩中壩體水平位移等值線在分布規(guī)律上產(chǎn)生了明顯變動(dòng)。

3.2壩體應(yīng)力特點(diǎn)

在竣工期死水位和正常蓄水位壩體的大小主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壩體底部心墻兩側(cè)的反濾過渡區(qū)。計(jì)算結(jié)果顯示：在竣工期，垂直方向沉降最大值為30.6cm，垂直方向沉降最大值壩高為0.58%，水平方向向上游位移最大值為3.6cm，向下游位移最大值為3.6cm，大主應(yīng)力最大值為1.1MPa，小主應(yīng)力最大值為0.3MPa；在正常水位期，垂直方向沉降最大值為34.6cm，垂直方向沉降最大值壩高為0.66%，水平方向向上游位移最大值為3.2cm，向下游位移最大值為18.1cm，大主應(yīng)力最大值為1.4MPa，小主應(yīng)力最大值為0.4MPa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可知：對(duì)于本粘土心墻堆石壩而言，應(yīng)力等值線有傾向于平行的變化狀態(tài)，這一狀態(tài)發(fā)生于在心墻兩側(cè)的壩坡區(qū)以及壩殼區(qū)區(qū)。同時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象存在于在反濾過渡層當(dāng)中，這一區(qū)間內(nèi)應(yīng)力等值線的分布具有駝峰狀規(guī)律，提示在反濾過渡層以及心墻間可見顯著應(yīng)力拱效應(yīng)。分析這一規(guī)律的產(chǎn)生機(jī)制為：由于對(duì)于反濾過渡層而言，其自身變形作用力小，但對(duì)于心墻兩側(cè)壩殼區(qū)以及防滲體而言，有較高的應(yīng)力值，因此反濾過渡層實(shí)質(zhì)上是起到了支撐心墻的作用，導(dǎo)致心墻墻體可見低應(yīng)力區(qū)分布。同時(shí)，結(jié)合已有研究來看，反濾過渡層相對(duì)于對(duì)心墻的拱作用是導(dǎo)致心墻內(nèi)部產(chǎn)生水平裂縫的最直接原因，提示可將應(yīng)力比作為心墻拱作用的最有效提示指標(biāo)。該比值較高時(shí)，心墻拱作用較大，即心墻內(nèi)部產(chǎn)生水平方向裂縫的可能性較大；該比值較低時(shí)，心墻拱作用較低，即心墻內(nèi)部產(chǎn)生水平方向裂縫的可能性較小。同時(shí)有限元分析結(jié)果顯示：在竣工期、死水位和正常水位心墻兩側(cè)與上、下游反濾過渡層交界附近的1/2壩高處單元的應(yīng)力水平較高，但都小于1.0，未見塑性區(qū)出現(xiàn)，提示整個(gè)壩體結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

經(jīng)上述分析與計(jì)算，數(shù)據(jù)顯示：本工程中粘土心墻堆石壩壩體竣工期水平位移以及豎向位移基本沿壩軸呈對(duì)稱狀態(tài)，蓄水后壩體上游坡面相對(duì)于庫(kù)區(qū)方向的變位得到了有效控制，但下游坡面相對(duì)于下游的變位有所加劇。整體來看：本工程中粘土心墻堆石壩竣工期以及蓄水期豎向位移方面未見明顯變化，但對(duì)于水平方向位移而言其變化非常顯著。與此同時(shí)，本工程中粘土心墻堆石壩壩體豎向位移最大位置發(fā)生于壩體剖面中部位置，水平位移最大位置則發(fā)生于壩體上游/下游坡面1/2～2/3高度區(qū)間內(nèi)。同時(shí)，受到反濾過渡層支撐因素的影響，本工程中粘土心墻堆石壩心墻壩防滲體呈現(xiàn)出了非常顯著的應(yīng)力拱效應(yīng)。同時(shí)，在心墻應(yīng)力分布方面均具有相同規(guī)律：即于心墻兩側(cè)靠近壩基位置可見最大應(yīng)力值。且經(jīng)三維非線性有限元分析顯示：本工程中粘土心墻堆石壩蓄水期應(yīng)力相較于竣工期應(yīng)力有顯著增大趨勢(shì)，提示該粘土心墻堆石壩心墻壩應(yīng)力應(yīng)變符合常規(guī)規(guī)律，壩體變形形態(tài)以及應(yīng)力分布基本良好。

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