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例為計算分析對象，應用中點增量法對粘土心墻堆石壩壩體在八級加載狀態下的變形以及應力情況進行了計算分析。三維非線性有限元分析結果顯示：該工程粘土心墻堆石壩應力應變符合基規律，壩體應力形態以及變形形態基本良好，心墻壩部分垂直方向沉降最大值與已建相關工程觀測值基本一致，證實了三維非線性有限元分析計算方法具有高度可靠性。通過以上分析，以期通過對粘土心墻堆石壩進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力以及變形方面的基本規律以及表現特征。

關鍵詞：粘土心墻；堆石壩；三維非線性有限元

在壩工建設領域中，土石壩是非常常見的壩型之一。相較于其他壩工形式而言，土石壩的優勢表現在（1）對施工現場基礎條件的適應性好；（2）投入使用后壽命長；（3）施工期間材料來源簡單且方便；（4）現場管理便捷且有效；（5）施工成本造價低等多個方面，故而在當前的壩工建設中得到了非常廣泛的應用。但必須引起重視的問題是：雖然土石料的來源簡單方便，但其內部性質構成相對復雜，加之目前尚無先進的土石壩土石料結構性能計算與試驗方法，因此導致設計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，并應用合理算法指導對土石壩的設計與施工作業開展，這一問題已成為目前相關人員的研究熱點與重點之一。以下研究中結合xx粘土心墻堆石壩實例，以三維非線性有限元分析方法為研究手段，展開對該粘土心墻堆石壩在壩體變形以及壩體應力方面特點、規律的計算分析，望能夠指導工程實踐。

1 工程概況

xx粘土心墻堆石壩位于xx地區，工程實測數據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，馬道上方兩側壩坡坡度均為1：1.7，以下兩側壩坡坡度均為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，左側層厚厚度為4.0m，右側層厚厚度為6.0m。壩體寬度最大值為186.5m。死水位狀態下相對壩體高程為23.0m，蓄水位狀態下相對壩體高程為49.9m。

2 三維非線性有限元計算方法

xx粘土心墻堆石壩壩體施工期間采取逐級填筑的施工方案，為針對這一施工特點與流程進行仿真模擬，體現在時間不斷推移過程中荷載作用力持續提升的規律，故中點增量法引入計算分析過程中，以輔助求解三維非線性方程組，這樣一來就能夠將復雜的非線性問題轉變為處理更為簡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置為六面體八節點等參單元，填充單元分別為五節點空間單元、六節點空間單元、以及七節點空間單元。本工程中整個粘土心墻堆石壩共劃分為530個節點以及434個單元。

在對本工程粘土心墻堆石壩進行三維非線性有限元分析計算的過程中，應用逐級增加荷載的方式對施工過程進行模擬，共涉及到八級加載過程。其中，第1～第6級加載均為壩體填筑過程，第7級加載為空庫蓄水至死水位過程，第8級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果

3.1 壩體變形特點

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生于壩高1/2區域壩軸線周邊。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準呈現出基本對稱狀態。本工程粘土心墻堆石壩竣工期間壩頂下沉量為4.0cm。

正常蓄水位狀態下壩體垂直方向沉降最大值為34.6cm，數據提示：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，即對粘土心墻堆石壩壩體沉降等值線分布的影響相對較弱，沉降最大值出現在壩高1/2位置壩軸線附近。當持續蓄水且水位達到正常區間時，蓄水內部水荷載作用力有顯著改變，導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，而相對于竣工期而言，下游方向水平位移增大14.6cm，導致整個粘土心墻堆石壩中壩體水平位移等值線在分布規律上產生了明顯變動。

3.2壩體應力特點

在竣工期死水位和正常蓄水位壩體的大小主應力最大值出現在壩體底部心墻兩側的反濾過渡區。計算結果顯示：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，大主應力最大值為1.1MPa，小主應力最大值為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，大主應力最大值為1.4MPa，小主應力最大值為0.4MPa。根據計算結果分析可知：對于本粘土心墻堆石壩而言，應力等值線有傾向于平行的變化狀態，這一狀態發生于在心墻兩側的壩坡區以及壩殼區區。同時，應力集中現象存在于在反濾過渡層當中，這一區間內應力等值線的分布具有駝峰狀規律，提示在反濾過渡層以及心墻間可見顯著應力拱效應。分析這一規律的產生機制為：由于對于反濾過渡層而言，其自身變形作用力小，但對于心墻兩側壩殼區以及防滲體而言，有較高的應力值，因此反濾過渡層實質上是起到了支撐心墻的作用，導致心墻墻體可見低應力區分布。同時，結合已有研究來看，反濾過渡層相對于對心墻的拱作用是導致心墻內部產生水平裂縫的最直接原因，提示可將應力比作為心墻拱作用的最有效提示指標。該比值較高時，心墻拱作用較大，即心墻內部產生水平方向裂縫的可能性較大；該比值較低時，心墻拱作用較低，即心墻內部產生水平方向裂縫的可能性較小。同時有限元分析結果顯示：在竣工期、死水位和正常水位心墻兩側與上、下游反濾過渡層交界附近的1/2壩高處單元的應力水平較高，但都小于1.0，未見塑性區出現，提示整個壩體結構為穩定狀態。

4 結束語

經上述分析與計算，數據顯示：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稱狀態，蓄水后壩體上游坡面相對于庫區方向的變位得到了有效控制，但下游坡面相對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，但對于水平方向位移而言其變化非常顯著。與此同時，本工程中粘土心墻堆石壩壩體豎向位移最大位置發生于壩體剖面中部位置，水平位移最大位置則發生于壩體上游/下游坡面1/2～2/3高度區間內。同時，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出了非常顯著的應力拱效應。同時，在心墻應力分布方面均具有相同規律：即于心墻兩側靠近壩基位置可見最大應力值。且經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力相較于竣工期應力有顯著增大趨勢，提示該粘土心墻堆石壩心墻壩應力應變符合常規規律，壩體變形形態以及應力分布基本良好。

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