復(fù)合斷面防洪堤有限元靜力分析

楊樹(shù)祺

(東莞市東莞大堤管理處,廣東 東莞 523000)

1 概 述

近年來(lái),由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)自然環(huán)境造成較大破壞,提高了自然災(zāi)害出現(xiàn)的頻率[1],災(zāi)害類(lèi)型也逐漸増多。在各類(lèi)災(zāi)害中,洪水所影響的范圍和造成的損失較大,且發(fā)生的頻率較高[2]。為了應(yīng)對(duì)洪水災(zāi)害,采取許多工程措施,如新建水利大壩、防洪堤、修復(fù)老舊水庫(kù)等,均取得了顯著效果。其中,防洪堤因其施工方便、性?xún)r(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在防洪工程建設(shè)中[3-5]。因此,研究防洪堤在使用時(shí)的受力和變形尤為重要。

基于此,本文以實(shí)際工程為例,分析復(fù)合斷面防洪堤的靜力變化特征,其中土堤和混凝土擋土墻相結(jié)合為其結(jié)構(gòu)類(lèi)型[6],借助有限元分析軟件,模擬其在完建工況和設(shè)計(jì)洪水位工況下的變形和應(yīng)力變化,可為相關(guān)工程提供參考和借鑒。

2 項(xiàng)目概況和建立模型

2.1 防洪堤概況

某河流大壩防洪堤選擇復(fù)合斷面的形式,即土堤與混凝土擋墻相結(jié)合的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。混凝土擋土墻高6m,其頂部有高1m的混凝土防浪墻,并將土填在防浪墻后部。其面板厚0.4～0.8m,底板寬4.8～6m、厚0.5～1m,基礎(chǔ)墊層選擇C15素混凝土,厚10cm。防洪堤頂部寬3.7m,背水坡坡比1:1.5,護(hù)坡形式選擇生態(tài)袋護(hù)坡,在坡腳部位設(shè)置預(yù)制混凝土排水溝。為了保證防洪搶險(xiǎn)需要,頂部設(shè)置防汛道路,寬3.5m。在上游位置的混凝土墻底部設(shè)置水泥土攪拌樁防滲墻,以此降低浸潤(rùn)線。參考河流岸坡的地形、地質(zhì)條件開(kāi)展治理工作,在長(zhǎng)期被水流沖刷的位置,選擇混凝土預(yù)制六角形磚或漿砌石進(jìn)行護(hù)坡,以提高堤岸的穩(wěn)定性。此種防洪堤形式基礎(chǔ)是原狀地基,防洪墻后有填土,穩(wěn)定性較高,同時(shí)造價(jià)較低。見(jiàn)表1。

表1 4個(gè)典型工作點(diǎn)使用期間的性能參數(shù)

2.2 模型建立

本次研究選擇復(fù)合斷面防洪堤的一個(gè)典型斷面,開(kāi)展模擬分析工作。借助有限元分析軟件,根據(jù)復(fù)合斷面防洪堤的大小,構(gòu)建其有限元數(shù)值模型。在構(gòu)建模型時(shí),設(shè)置地基基礎(chǔ)的表面高程為0m。本次計(jì)算主要包括兩種工況:第一種工況為設(shè)計(jì)洪水,即防洪堤前的水位為5.18m,而在防洪堤后沒(méi)有水存在;第二種為完建工況,即在防洪堤前后都沒(méi)有水存在。參考防洪堤實(shí)際大小建立模型,設(shè)置基礎(chǔ)長(zhǎng)度和深度分別為10和6m,防洪堤后有交通道路3.5m。

在模型建立過(guò)程中,由于各部分材料不同,對(duì)應(yīng)選擇的結(jié)構(gòu)單元也不一樣。針對(duì)土堤和基礎(chǔ),選擇Solid45單元;針對(duì)混凝土擋土墻,選擇Solid65單元。進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分時(shí),土堤和基礎(chǔ)的網(wǎng)格尺寸均為0.4×0.4×0.4m,混凝土擋土墻的網(wǎng)格尺寸為0.2×0.2×0.2m。在設(shè)置約束條件時(shí),對(duì)于基礎(chǔ)底面設(shè)置全約束;土堤和基礎(chǔ)左右兩邊設(shè)置X向約束,前后兩邊設(shè)置Z向約束。表2為模型相關(guān)計(jì)算參數(shù),并且地基、土堤和擋土墻的摩擦系數(shù)為0.5。

表2 模型相關(guān)計(jì)算參數(shù)

3 靜力分析結(jié)果

根據(jù)復(fù)合斷面防洪堤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選擇靜力線性對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在計(jì)算結(jié)構(gòu)靜力時(shí),主要以位移和應(yīng)力兩個(gè)角度為出發(fā)點(diǎn),位移方面要符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范中的要求,應(yīng)力方面要達(dá)到材料的性能要求。

3.1 設(shè)計(jì)洪水工況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量,得出防洪堤的內(nèi)摩擦角和彈性模量。當(dāng)工況為設(shè)計(jì)洪水位時(shí),在防洪堤前存在5.18m的設(shè)計(jì)水位,在防洪堤后水位則為0,因此會(huì)受到揚(yáng)壓力與水壓力荷載的作用。對(duì)防洪堤在這些荷載下的位移變化進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,其位移在豎直方向的變化見(jiàn)圖1。

從圖1能夠看出,工況為設(shè)計(jì)洪水位時(shí),隨著深度的增加,防洪堤地基沉降值不斷減小,基礎(chǔ)沉降峰值為20mm,位于防洪堤下部。豎直方向上混凝土擋墻的位移峰值為20.3mm,位于混凝土擋墻和踵板相接的右部。結(jié)構(gòu)整體的豎向位移峰值為26.2mm。參考防洪堤設(shè)計(jì)規(guī)范,其基礎(chǔ)沉降量符合規(guī)范要求。

圖2、圖3為計(jì)算后設(shè)計(jì)洪水位工況下豎直和水平位移變化趨勢(shì)。由圖2、圖3可知,在自重、水壓力等荷載作用下,混凝土擋墻結(jié)構(gòu)在垂直方向上的位移呈現(xiàn)空間分布形式。在圖2中,Y和軸向位置分別代表混凝土擋墻取點(diǎn)處到其底板表面(垂直)與結(jié)構(gòu)邊緣(水平)的距離,隨著Y值的增大,即混凝土擋土墻高度的提升,其豎向位移也不斷增加,并且同一水平面內(nèi),此豎向位移對(duì)稱(chēng)于擋土墻的肋板。位移峰值位于混凝土擋土墻肋板和面板相接位置,約為19.96mm,其應(yīng)變處于材料彈性范圍中。

圖2 工況為設(shè)計(jì)洪水位時(shí)結(jié)構(gòu)豎向位移變化趨勢(shì)

圖3 工況為設(shè)計(jì)洪水位時(shí)結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢(shì)

在圖3中,豎向位置和Z分別代表混凝土擋墻取點(diǎn)處到其底板表面(垂直)和結(jié)構(gòu)邊緣(水平)的距離。隨著高度的增大,混凝土擋土墻水平位移也在不斷增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土擋土墻面板和肋板相接的頂部,為9.3mm,其應(yīng)變值也處于材料彈性范圍中。

借助有限元分析軟件開(kāi)展數(shù)值計(jì)算后,得到結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為第1和第3主應(yīng)力。第1主應(yīng)力峰值為1.1MPa,出現(xiàn)在防洪堤混凝土擋墻底板和面板相接的位置。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),得到C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(最大拉應(yīng)力)為1.43MPa,表明在設(shè)計(jì)洪水工況下混凝土擋墻的抗拉性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。第3主應(yīng)力峰值為1.93MPa,同樣出現(xiàn)在防洪堤混凝土擋墻底板和面板相接的位置,并且處于迎水側(cè)。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),得到C30混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(最大壓應(yīng)力)為14.3MPa,表明在設(shè)計(jì)洪水工況下混凝土擋墻的抗壓性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 完建工況

在完建工況下,復(fù)合斷面防洪堤前后水位均為零。因此,不存在揚(yáng)壓力和水壓力荷載,僅在自重荷載下開(kāi)展數(shù)值計(jì)算與分析。經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算和結(jié)果的整理后,防洪堤在豎直方向上沉降位移見(jiàn)圖4。

圖4 完建工況時(shí)復(fù)合斷面防洪堤位移云圖

由圖4可知,防洪堤地基沉降值會(huì)隨著深度的提高而不斷降低,基礎(chǔ)沉降量峰值為21mm,位于防洪堤下部。混凝土擋土墻在垂直方向的位移峰值為22.3mm,位于混凝土擋墻和踵板相接的右側(cè)。整體結(jié)構(gòu)在垂直方向上的位移峰值為28.2mm,位于土堤頂部。參考防洪堤相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),防洪堤沉降量在規(guī)定范圍內(nèi)。

整理匯總計(jì)算結(jié)果后繪制成圖,得到完建工況下位移變化趨勢(shì),見(jiàn)圖5、圖6。在圖5中,Y和軸向位置分別代表混凝土擋墻取點(diǎn)處到其底板表面(垂直)與結(jié)構(gòu)邊緣(水平)的距離,隨著Y值的增大,即混凝土擋土墻高度的提升,其豎向位移也不斷增加。位移峰值位于混凝土擋土墻肋板和面板相接位置,約為16.89mm,其應(yīng)變處于材料彈性范圍中。

圖5 完建工況下結(jié)構(gòu)豎向位移變化趨勢(shì)

圖6 完建工況下結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢(shì)

在圖6中,豎向位置和Z分別代表混凝土擋墻取點(diǎn)處到其底板表面(垂直)和結(jié)構(gòu)邊緣(水平)的距離。隨著高度的增大,混凝土擋土墻水平位移也在不斷增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土擋土墻面板和肋板相接的頂部,為4.3mm,其應(yīng)變值也處于材料彈性范圍中。

借助有限元分析軟件開(kāi)展數(shù)值計(jì)算后,得到結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為第1和第3主應(yīng)力。第1主應(yīng)力峰值為1.25MPa,出現(xiàn)在防洪堤混凝土擋墻底板和面板相接的位置。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),得到C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(最大拉應(yīng)力)為1.43MPa,表明在設(shè)計(jì)洪水工況下混凝土擋墻的抗拉性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。第3主應(yīng)力峰值為2.57MPa,同樣出現(xiàn)在防洪堤混凝土擋墻底板和面板相接的位置,并且處于迎水側(cè)。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),得到C30混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(最大壓應(yīng)力)為14.3MPa,表明在設(shè)計(jì)洪水工況下混凝土擋墻的抗壓性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

為了分析復(fù)合斷面防洪堤靜力變化特征,本次研究借助有限元分析軟件,模擬其在完建工況和設(shè)計(jì)洪水位工況下的變形和應(yīng)力變化。結(jié)論如下:

1)工況為設(shè)計(jì)洪水位時(shí),隨著深度的增加,防洪堤地基沉降值不斷減小,基礎(chǔ)沉降峰值為20mm,位于防洪堤下部。豎直方向上混凝土擋墻的位移峰值為20.3mm,位于混凝土擋墻和踵板相接的右部。結(jié)構(gòu)整體的豎向位移峰值為26.2mm。參考防洪堤設(shè)計(jì)規(guī)范,其基礎(chǔ)沉降量符合規(guī)范要求。

2)隨著混凝土擋土墻高度的提升,其豎向位移也不斷增加,并且同一水平面內(nèi),此豎向位移對(duì)稱(chēng)于擋土墻的肋板。位移峰值位于混凝土擋土墻肋板和面板相接位置,約為19.96mm,其應(yīng)變處于材料彈性范圍中。隨著高度的增大,混凝土擋土墻水平位移也在不斷增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土擋土墻面板和肋板相接的頂部,為9.3mm,其應(yīng)變值也處于材料彈性范圍中。借助有限元分析軟件開(kāi)展數(shù)值計(jì)算后,得到結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為第1和第3主應(yīng)力,兩主應(yīng)力峰值均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3)在完建工況下,防洪堤地基沉降值會(huì)隨著深度的提高而不斷降低,基礎(chǔ)沉降量峰值為21mm,位于防洪堤下部。混凝土擋土墻在垂直方向的位移峰值為22.3mm,位于混凝土擋墻和踵板相接的右側(cè)。參考防洪堤相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),防洪堤沉降量在規(guī)定范圍內(nèi),且應(yīng)變值也處于材料彈性范圍中,表明結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。