不同混凝土心墻岸坡坡比下大壩應力變形特性分析

劉兆龍

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

不同混凝土心墻岸坡坡比下大壩應力變形特性分析

劉兆龍

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

隨著中國水利工程的不斷發展，土石壩的比例不斷增加，尤其是以瀝青混凝土心墻作為防滲結構的壩型廣泛應用。目前，對于瀝青混凝土心墻岸坡坡比的理論研究和施工工藝較為成熟，已經成為國內的一種主流壩型。文章結合工程實例，分析研究在不同工況下混凝土心墻岸坡坡比變化對壩體應力變形影響，總結特性變化規律，為大壩在心墻岸坡坡比的設計中提供指導。

混凝土心墻；坡比；土石壩；變形；特性

1 緒 論

瀝青混凝土心墻土石壩中的防滲體設計在大壩內部，外力荷載和溫度對其影響較小，抗震性提高等。作為防滲體系的重要組成部分，具有以下特點[1]：①防滲性能較好，滲透系數保持在10-7-10-8cm/s以下，并且澆筑時瀝青混凝土是不透水的；②適應變形能力較強，由于材料本身柔性較好，適用于各種壩體與基礎的不均勻沉陷，同時較好的適應岸坡的變形；③施工工藝簡單，可與壩體同步施工，過程中水庫可以蓄水，結構工程量少，節省工程投資，提高工程進度；④具有良好的塑性性能，抗沖擊性較強，不影響防滲性能的同時快速有效的適應各種材料變形，因其高強度，大阻尼，受地震荷載作用破壞的幾率較小；⑤瀝青混凝土心墻的材料耐久性明顯優于其他材料；⑥瀝青混凝土心墻的體積小于其他防滲結構，極大程度上保護了自然生態。瀝青混凝土防滲結構的特性在工程中效果顯著，工程實踐中得到了廣泛應用。

2 應力變形經理有限元分析原理

2.1 土石壩有限元分析

基于材料應力應變的非線性關系，將非線性轉變為線性問題的過程，目前主要用迭代法解答。文章計算方法為中點增量法[2]，在工程實際運用中極為廣泛，迭代過程較為簡單適用，在非線性有限元的分析方法被廣泛應用。它對施工過程荷載加載部分進行模擬，分別求得施工過程的各階段的材料的應力變形情況。其計算步驟如下：

1)定義初始狀態點Mi-1。可通過應力{σ}i-1計算求得材料的彈性常數Ei-1，vi-1然后形成勁度矩陣[K]i-1。

2)施加荷載：在結構上施加一半荷載{△R}i/2，用式1解得位移增量。

(1)

4)利用{R}i-1在結構上施加全荷載{△R}i，套入式1來解得位移增量：

(2)

求解出應力增量{△σ}i、應變增量{△ε}i，并對求出的應力和應變分量進行累加。

5)重復1-4的步驟，最終求解處施加各級荷載下對應增量的應力應變。

2.2 本構模型

當今在非線性問題的本構模型研究中，采用較為廣泛的是鄧肯(Duncan)與張(Chnag)的雙曲線非線性彈性模型[3]，特點是適用性強，各參數概念性強且數值容易計算確定，最大程度上反映出土體的非線性特性。在常規三軸試驗中，表達式如下：

(3)

式中：a和b均為常數。

材料的切線彈性模量表達式為：

(4)

通過常規三軸試驗得出a、b值后切線彈性模量可表達為：

Et=(1-Rfs)2Ei

(5)

式中：Rf破壞比，表示主應力差和其漸近值之比：

(6)

定義s應力水平，表達式如下：

(7)

式中：Ei為初始切線模量。

(8)

代入式(8)可得

(9)

式中：c為土體的黏聚力；φ為土體內摩擦角，Rf對應不同σ3下的均值。

材料卸荷模量：

(10)

式中：Kur為試驗參數，一般大于材料的滲透系數。

切線體積模量Bt表達如下式：

(11)

式中：m為無量綱系數；Kb體積模量數。

3 工程實例

3.1 工程概況

某水利樞紐工程主要是以發電為主，兼顧灌溉，水上交通等綜合效益。樞紐布置主要包括溢洪道、瀝青混凝土心墻壩、泄洪洞、地下廠房等。大壩正常蓄水位2338.00m，設計洪水位2337.58m，校核洪水位2339.40m，總庫容1.08億m3。瀝青混凝土心墻基座位于基巖處，最大高度116.00m，對應壩高172.30m[4]。瀝青混凝土心墻土石壩的標準橫剖面如圖1。

3.2 計算模型和計算參數

本模型中兩岸山體沿著上下游方向、壩軸線方向、豎直方向都各取一倍壩高。X向沿壩軸線指向左岸為正；Y向沿水流方向指向下游為正；Z向沿豎直方向向上為正。該模型進行有限元網格剖分：壩體單元36525個，節點53283個。網格剖分如圖2。

邊界條件：壩體兩側壩軸線方向施加X向約束，水流方向施加Y向約束，基巖面施加三向約束。

圖1 瀝青混凝土心墻土石壩的標準橫剖面圖

圖2 最大剖面網格剖分圖

計算時，大壩的堆石料，過渡料，瀝青混凝土心墻、覆蓋層均采用鄧肯-張E-B模型參數，岸坡巖體和地基基巖定義為線彈性材料，材料計算參數情況[5]見表1。

表1 大壩材料計算參數表

3.3 三種不同方案的擬定

計算采用三種方案見圖3，分別定義瀝青混凝土心墻岸坡坡比為1∶0.35、1∶0.25、1∶0.15。

圖3 三種不同岸坡坡比的瀝青混凝土心墻圖

3.4 計算結果

文章只列出方案一的計算結果示意圖如圖4-7(下同)。三種方案下壩體在竣工期和蓄水期的位移和應力應變見表2。

圖4 竣工期最大剖面垂直位移等值線圖

圖5 壩體在竣工期最大剖面水平位移等值線圖

圖6 壩體在竣工期最大剖面大主應力等值線圖

大壩不同工況不同方案下的應力變形計算結果分析，見表2。

表2 壩體的計算成果表

豎直位移變化：竣工期壩體最大沉降量為0.65m，發生位置約在1/2壩高處，最大沉降量約為壩高的0.35%。蓄水后，最大沉降量略微增加，但蓄水前后壩體沉降變化規律相似。水平位移變化：基本呈對稱分布，竣工期壩體的水平最大位移，上游5.58cm(壩體中部約2/5壩高處)，下游5.83cm。蓄水時，由于上游水壓力的作用整個壩體趨向下游移動，上游增大為4.62cm(約1/2壩高處)，下游為14.52cm，蓄水前后壩體水平位移變化規律相似。壩體大主應力：竣工期大主應力變化規律，與深度變化呈線性關系，最大主應力為-3.20MPa，蓄水時為-4.03MPa，數值有所增大。蓄水完成后，心墻與過渡料處產生有應力集中現象，主要是因為材料力學特性有較大差異所致。壩體小主應力：竣工期小主應力為0.52MPa(壩體中部壩高約1/5處)；蓄水時為1.20MPa，比竣工期數值略微增大。方案二、方案三的壩體應力變形規律與方案一相似，綜合計算結果認為方案三的分析更為符合規范要求。竣工期和蓄水期的計算結果表明，壩體的應力變形值在合理范圍內，壩體分區設計和邊坡坡比是合理的，符合設計規范要求。

4 總 結

在土石壩有限元基本原理分析和適宜材料本構模型的構建基礎上，結合工程實際，對瀝青混凝土土石壩壩坡坡比的三種不同方案進行了施工期和蓄水期兩種工況的有限元靜力分析，得出隨著岸坡坡比的變化對大壩應力應變的影響和壩體安全性分析。結果表明大壩不存在過大的不均勻沉降問題，應力分布規律基本合理，工程的安全性可以得到保證。

[1]朱晟,聞世強.當代瀝青混凝土心墻壩的進展[J].人民長江，2004，35(09)：9-11.

[2]張懷生.水工瀝青混凝土防滲技術[J].水利水電施工，2006(12):1-5

[3]中華人民共和國國家能源部.DL/T5411—2009土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[4] 王波，申向東.瀝青混凝土心墻堆石壩應力應變計算[J].黑龍江水專學報,2008,35(02)：52-55.

[5]張蕓蕓，陳堯隆，呂琦，等.瀝青混凝土心墻壩的應力及變形特征[J].水資源與水工程學報，2009，20(03)：87-90.

AnalysisforDamStressDeformationCharacterinDifferentSlopeRatioofConcreteCoreWallBankSlope

LIUZhao-long

(HeilongjiangProvincialNenRiverDiversionProjectManagementDepartment,Daqing163000,China)

With constant development of the hydraulic projects in China, the proportion of soil and rock dam increased constantly, especially, the dam type taking asphalt concrete core wall as the seepage protection structure was applied widely. At present, the theoretical research and construction technology of asphalt concrete core wall bank slope ratio are developed and have been a kind of trunk stream type in China. In combination with the project case, the changing impact of concrete core wall bank slope ratio on dam body stress deformation was analyzed and the character changing law was concluded to supply guidance for the design of core wall bank slope ratio of the dam.

concrete core wall; ratio of slope; earth-rock dam; deformation; character

1007-7596(2017)07-0030-04

2017-06-16

劉兆龍(1977-)，男，黑龍江富裕人，工程師。

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