面板堆石壩蓄水期穩定性及施工縫變形研究

尹曉明

(黑龍江省正潤水利水電工程有限公司,哈爾濱 150000)

1 緒 論

混凝土面板堆石壩特點突出,在我國水利工程中應用廣泛,其主要具有堆石分層碾壓、混凝土薄層面板、多層止水等。和心墻壩對比,面板壩具有底寬小、坡降大、施工便利、壩體填筑量低,縮短輸水、泄水建筑物尺寸,樞紐建筑銜接緊密。同時面板壩的抗滑性特點突出,從結構分析,堆石體基本位于面板下方,堆石體整體自重、面板上部靜水壓力反作用于水平推力。因堆石體為振動碾碾壓成型,孔隙率小,滲透穩定性突出,從而通過這種摩阻力保持壩體的穩定性。堆石的排水功能降低空隙水壓力,所以面板壩的抗震性效果較優。

2 土石壩非線性有限元方法

堆石壩的材料非線性包含材料和幾何非線性,一般應用時定義為材料非線性,則結構體單元的平衡條件表達式為:

{ε}=[B]{δ}e

(1)

(2)

式中:{σ}為應力列向量;{ε}為應變向量;{F}e為節點力列向量;{δ}e為位移向量;[B]為應變矩陣。

線彈性體的單元應變關系符合廣義虎克定律:

{σ}=[D]{ε}=[D][B]{δ}e

(3)

材料非線形的應變關系可簡化為:

f({σ},{ε})=0

(4)

材料的非線形關系勁度矩陣[K]可隨應力而變,其平衡方程組為:

[K({δ})]{δ}=[R]

(5)

若給土體施以應力增量{△σ},可以通過該應力狀態{σ}下的彈性常數形成[D],進而求得應變增量{△ε}。 在實際應用中通常選用中點增量法,每施加的一級荷載增量,計算求出位移、應力應變的增量變化,最終疊加后得出總荷載的單元總應變和位移。

3 工程實例

3.1 工程概況

某混凝土面板堆石壩位于湖北省境內,壩址流域面積352.7km2,多年平均流量為13.6m3/s。大壩正常蓄水位653.4m,總庫容1.08億m3,壩高117.2m,壩頂長273.4m,上游壩坡比為1∶1.4,下游為1∶1.2,堆石壩材料分區為水平鋪蓋、混凝土面板、墊層、過渡層、堆石區。

3.2 計算參數

壩體堆石料的Duncan E-B模型物理參數具體見表1。

表1 堆石體材料參數表

3.3 計算模型

沿壩軸線將壩體分為21個橫剖面,壩體采用SOLID95等參單元,共劃分單元7003個,節點總數57156個。壩體三維有限元網格剖分如圖1所示。堆石壩面板共分為23塊,其中f1和 f23寬度為6m,其余寬度均為12m,面板網格劃分如圖2所示。

圖1 壩體三維有限元網格剖分圖

(a)水平位移

3.4 計算結果

3.4.1 壩體

蓄水期水壓力通過面板直接作用于壩體,選取大壩典型剖面0+095,其應力變形結果見圖2。

3.4.2 面板

蓄水期的面板受力包括自重和上游的靜水壓力,由計算結果可知,面板水平位移向左移動且變幅增大,最大水平位移6.05cm,出現在第三、四塊面板頂部;沉降變化基本沒有規律性,沉降量偏小,面板最大沉降為39.7cm,在面板f6中下部位,轉換成撓度為29.3cm,根據規范要求表明面板f6已產生裂縫。面板f10到f15處均出現較大的沉降量,需加強變形監測。面板的軸向應力個別部位交錯出現拉、壓應力,特別是左岸壩坡附近,拉應力區范圍較大,最大拉應力為3MPa,中部面板最大壓應力在f9中部位置,最大值6.5 MPa。順坡向壓應力分布無規律性,最大值為7.5 MPa,出現在f8和f9的中下部[1]。

由圖2可知,蓄水期大壩最大沉降59.3cm,出現于上游的1/2壩高處;上游面最大水平位移2.64cm,在近左岸壩基位置;下游面最大水平位移36.3cm,在上游左岸的壩中部;最大小主應力1.04MPa,在上游面的壩基位置處;最大主應力為3.28MPa,在左岸的壩基附近。

表2和表3分別匯總L15、L7兩條垂直縫的三相變位值,裂縫張開為正,錯位以右低左高為正,沉降沿面板外法向為正。

表2 L15垂直縫三向變位

由表2中可見,垂直縫L7在頂、底部兩側出現張開變形,最大張開量10.17cm,在中部大都呈關閉狀態,變化規律和面板軸線方向的應力變化基本一致。錯位變化量較小,平均錯位14mm,最大錯位出現在該縫中部以下。垂直縫沉陷平均值-23.3cm,最大為35.5cm,位置在縫的中部偏下處[2]。

由表3可知,垂直縫L15擠壓作用明顯,中下部作用大于上部,變化關系和面板的軸向應變規律基本相同。下部錯位變形量平均為14mm,最大變形量位于面板底部,為19mm。對比可知L7要比L15的豎向變形大,平均保持在20cm,最大豎向變形量為26.4cm,出現在面板的中下位置處,周邊縫最大張開量11.5mm,在壩體右岸的壩坡位置,最大錯位變形22.6mm,位于垂直縫L13底部。

4 結 論

文章基于土石壩非線性有限元分析原理,結合實際工程,有限元計算大壩和面板蓄水期的應力變形,結合面板施工縫的監測數據,得出大壩總體安全穩定性結論,綜合認為堆石壩應力應變符合規范標準,面板軸向變形不對稱,受變位影響右岸出現一定范圍的垂直縫和周邊縫裂縫,應適當采取工程措施穩定面板形變。