基于AUTOBANK的土石壩穩(wěn)定性研究

占 平

(景德鎮(zhèn)市水利工程建設質量與安全監(jiān)督站，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

土石壩具有施工簡便、造價便宜、可就地取材等優(yōu)點[1]逐漸成為常見壩型。隨著土石壩的快速發(fā)展，一些問題也漸漸出現(xiàn)，因此對于土石壩的研究意義重大。

有限元計算是研究土石壩的一種主要方法[2]。在進行有限元計算時采取不同參數(shù)和對應計算模型得出數(shù)據(jù)有所不同，因此要選取合適的模型和參數(shù)。鄧肯-張雙曲線模型[3]是非線性彈性模型的典型，20世紀70年代，Duncan和Change在konder等人的研究基礎上進行改進，將雙曲線模型用來表示土體的應力應變，發(fā)現(xiàn)可以較好的反應土體的相關特性，后來通過眾多學者[4-6]進一步試驗研究對模型的參數(shù)進行了完善。除此之外還有考慮土體各向異性的鄧肯-張模型、G-K模型、E-K模型等。劍橋模型也是彈塑性模型的一個代表，他闡述了彈塑性變形特性，許多學者[7]對此也進行了補充和完善，我國沈珠江院士將鄧肯-張模型和劍橋模型與自己的研究相結合提出了南北模型。隨著有限元技術理論的成熟，不少學者開始用有限元進行研究[8-9]。河海大學殷宗澤等人[10]采用典型鄧肯-張模型進行混凝土心墻壩的應力計算，隨后其又利用二維的比奧固結理論進行了相關研究。

有限元技術的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出像AUTOBANK，GEOSTUDIO，ANSYS，ABAQUS等計算軟件。本文利用AUTOBANK軟件，采用典型的鄧肯-張模型進行土石壩的穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

某樞紐為中型水利樞紐工程，水庫規(guī)模為大(3)型，主要由溢洪道、攔河壩、心墻、引水隧洞、電站等組成。水庫上游河流總長79km，流域面積598.5km2。水庫死水位為245m，最小庫容為3.58×104m3，設計水位為267m，采用百年一遇，相應庫容為4.96×104m3，調節(jié)庫容4.6×104m3。校核水位為270m，校核庫容為6.2×104m3。溢洪道和攔河大壩洪水標準采用百年一遇。

樞紐攔河大壩是瀝青混凝土心墻堆石壩，長1350m、壩頂寬6.0m，在土石壩頂上設防浪墻，墻高1.2m，壩頂高程270.1m。堆石壩由上、下游壩體堆石、過渡層及瀝青混凝土心墻等組成，上游壩坡采用干砌石護坡，厚度0.3m，坡比為1∶2?；A處理采用帷幕灌漿。

2 模型建立

采用大型有限元軟件AUTOBANK，其可以進行涵洞、土石壩、閘墩以溢洪道等的計算。該軟件可以以CAD為基礎圖形，截面直接圖形化，各階段之間無縫結合。可以有限的計算土石壩的施工和運行過程中壩體的沉降、位置移動、應力變化的發(fā)展變化過程。單元采用四節(jié)點的等參單元[11]，可以使用Fortran進行內部編譯想研究的內容。

計算模型采用鄧肯E-B模型，計算所用的相關參數(shù)參考相關資料見表1。

模型基本原理：將切線體積模量Bt用來代替切線泊松比Vt，再通過式(2)求解切線泊松比。

表1 模型參數(shù)

(1)

(2)

(3)

d11=d22=d33，d12=d21=d13=d31=d23=d32，其余為0。

模型的加卸荷準則如下：

首先設定加載函數(shù)

(4)

定義SS為所有時間最大值Ssmax，根據(jù)σ3利用式(5)計算出最大應力，然后將Sc與現(xiàn)在土應力S進行對比：

(5)

當S≥Sc，是加載狀態(tài)，E=Et；

當S0.75Sc，是全卸載狀態(tài)，E=Eur；

當0.75S

(6)

3 結果分析

3.1 竣工期計算結果分析

圖1為竣工期土石壩壩體的位移變形等值線圖?？梢灾?，施工過程中在自重荷載作用下，土石壩壩體上、下游水平位移大致對稱分布，在壩體與地基交界處附近位移較大，然后在垂向上逐漸減小。上、下游最大水平位移分別為0.22、0.29m，發(fā)生在距壩軸線52、51m位置處。垂向位移要大于水平位移，由上至下逐漸減小，最大值為0.94m，發(fā)生在壩頂附近。心墻水平位移相對較小，垂向出現(xiàn)了明顯的沉降。

圖2為竣工期土石壩壩體的應力等值線圖。壩體心墻附近應力較大，然后向兩側壩坡逐漸減小，在垂向上從上至下應力逐漸增大，壩體最大應力出現(xiàn)在心墻與壩基交界面附近。隨著深度增加，地基承受的應力逐漸增大，最大應力出現(xiàn)在地基底部，均在材料的承受范圍。在此主要對壩體部分進行研究，具體數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 竣工期壩體位移與應力最大值

3.2 蓄水運行期計算結果分析

圖3為蓄水運行期土石壩壩體的位移變形等值線圖?？梢钥闯觯\行期的位移分布與竣工期相似，上游位移要小于竣工期，下游位移大于竣工期。主要是運行期位移是在重力荷載和水壓力共同作用下產生的，在上游水壓力阻礙壩體變形，下游側位移是重力和水壓力產生變形在同一個方向，導致位移疊加。上、下游最大水平位移分別為0.13、0.34m，變化幅度分別為37%、15%，對應位置分別發(fā)生在距壩軸線52、45m處。垂向位移分布規(guī)律與竣工期類似，位移變化幅度比竣工期大，最大位移為0.86m，依然發(fā)生在壩頂附近。心墻水平位移增大到0.16m，垂向位移變化不大，均發(fā)生在心墻與基礎的交界面處。

圖4為蓄水運行期土石壩壩體的應力等值線圖。壩體應力分布規(guī)律與竣工期相似。壩體最大主應力和最小主應力均增大，增加幅度分別為13%、15%。這是因為承受在重力基礎上，還承受水壓力荷載的作用。心墻的應力相對出現(xiàn)減小，心墻主應力均減小，減少幅度為12%、6%。主要是因為心墻形變比較均勻，同時壩體承受了較大荷載。整體的應力在材料的允許范圍之內。具體數(shù)據(jù)詳見表3。

圖1 竣工期土石壩壩體變形位移等值線圖

圖2 竣工期土石壩壩體應力等值線圖

圖3 蓄水運行期土石壩壩體變形位移等值線圖

圖4 蓄水運行期土石壩壩體應力等值線圖

表3 蓄水運行期壩體位移與應力最大值

4 結語

(1)蓄水運行期與竣工期位移分布規(guī)律一致，水平方向壩體以心墻為分界分別向上下游變形。與竣工期相比蓄水運行期上游變形小、下游變形較大，變化幅度分別為37%、15%；垂向位移變小幅度為9%。心墻水平位移出現(xiàn)大幅增加，增加幅度為15倍；心墻垂向位移出現(xiàn)減小，減少幅度為24%。

(2)壩體主應力以心墻分界向上下游壩坡逐漸減小。蓄水運行期與竣工期相比壩體主應力均增大，增加幅度分別為13%、15%；心墻主應力均減小，減少幅度為12%、6%。

(3)在竣工期和蓄水運行期應力均在土料承受范圍內，在實際運行中要根據(jù)應力和位移分布規(guī)律來進行適當加固，保證樞紐的持久運行。