基于數(shù)值模擬的混凝土面板堆石壩變形特征研究

李 偉,徐廣勇

(費(fèi)縣許家崖水庫(kù)管理中心,山東 臨沂 273400)

1 概 述

隨著我國(guó)水利水電工程的快速發(fā)展,混凝土面板堆石壩逐漸成為我國(guó)水電站壩體的主要壩型之一。但受到水位升降、地震及多種內(nèi)外應(yīng)力的影響,混凝土面板堆石壩在運(yùn)營(yíng)過程中可能發(fā)生滲透破壞、開裂及變形過大等工程問題。

針對(duì)混凝土面板堆石壩的變形及破壞機(jī)理問題,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究與分析。池侖等[1]基于大量的實(shí)際工程,總結(jié)分析了混凝土面板堆石壩施工后壩頂沉降及面板應(yīng)變特性,并在此基礎(chǔ)上,總結(jié)了壩體變形的影響因素。陳小攀等[2]基于數(shù)值模型,研究了混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性。結(jié)果表明,壩體竣工期的變形占?jí)误w高度的0.63%左右;而蓄水期的沉降變形有所增大,占?jí)胃叩?.66%左右。并在壩體變形特性的基礎(chǔ)上,提出了合理的治理措施。劉永濤等[3]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料,詳細(xì)分析了混凝土面板堆石壩水下面板裂縫成因,并采用數(shù)值模擬,對(duì)裂縫的形成和擴(kuò)展過程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明,溫度對(duì)裂縫的形成影響較小,而施工質(zhì)量是裂縫形成和擴(kuò)展的主要誘因,實(shí)際工程中應(yīng)著重考慮施工質(zhì)量監(jiān)督。歐波等[4]采用三維有限元,研究了流變效應(yīng)對(duì)狹窄河谷高面板堆石壩應(yīng)力變形的影響。結(jié)果表明,考慮流變效應(yīng)的堆石壩變形相較于不考慮流變效應(yīng)的變形和應(yīng)力均有所增大,因此,在峽谷地區(qū)設(shè)壩時(shí),要充分考慮流變效應(yīng)。左雷高等[5]依托天星壩水庫(kù)混凝土面板堆石壩工程,采用數(shù)值有限元,詳細(xì)分析了堆石壩在施工期和竣工期的應(yīng)力應(yīng)變特性。結(jié)果表明,采用肯-張E-B模型,對(duì)壩體的變形特性進(jìn)行分析與實(shí)際情況基本一致,表明壩體方案設(shè)計(jì)的可行性。楊星等[6]以混凝土面板堆石壩為研究對(duì)象,研究了堆石壩在正常蓄水位下的應(yīng)力應(yīng)變特性。結(jié)果表明,正常蓄水位下,面板處于受拉狀態(tài),蓄水后面板發(fā)生變形,但整體來看,變形滿足規(guī)范的安全性要求。王開拓[7]基于有限分析方法,分析了面板水平縫對(duì)蓄水面板的應(yīng)力應(yīng)變影響。結(jié)果表明,裂縫數(shù)量可以弱化裂縫周圍的應(yīng)力狀態(tài),面板壓應(yīng)力與面板的裂縫寬度呈反相關(guān)關(guān)系。利光彬、季日臣[8]采用數(shù)值計(jì)算,分析了鑲嵌式混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形。結(jié)果證明,混凝土面板堆石板比普通大壩對(duì)于減小上游位移和沉降量更優(yōu)。隨著壩體高度的增大,面板拉應(yīng)力和裂縫值逐漸減小。梁希林、劉楓[9]基于雙溝水電站面板堆石壩工程,采用反演法,分析了該壩的變形特征。結(jié)果表明,反演法能夠合理解釋水庫(kù)蓄水3年后的變形,為相似工程的設(shè)計(jì)與計(jì)算提供了新的思路。

本文基于數(shù)值模擬,分析某混凝土面板堆石壩在蓄水期間堆石壩的應(yīng)力應(yīng)變特性,研究成果可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

2 工程概況

某新建混凝土面板項(xiàng)目,壩址所在河流長(zhǎng)4km,整條河流坡降約40%。壩體主要組成部分由堆石區(qū)、混凝土面板、趾板等組成。其中,混凝土面板采用C25混凝土制作,大壩總高度32m,頂寬約5m。規(guī)模為IV級(jí)。堆石壩上游和下游坡比均為1:1.5。根據(jù)相關(guān)規(guī)范,大壩設(shè)計(jì)的洪水重現(xiàn)期為30年。對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水位430.11m,校核洪水位431.16m。水庫(kù)的正常蓄水位430m。該混凝土面板堆石壩的典型剖面圖見圖1。

圖1 堆石壩典型剖面圖

3 數(shù)值模型

3.1 數(shù)值模型與參數(shù)

為充分考慮混凝土面板壩長(zhǎng)期變形效應(yīng),本文采用ABAQUS數(shù)值軟件進(jìn)行建模和計(jì)算,模型的本構(gòu)參數(shù)選用能夠模擬材料長(zhǎng)期變形的亞塑性本構(gòu)模型。該模型通過材料的硬度系數(shù)變化,分析材料剛度的影響,最終模擬材料長(zhǎng)期的變形特性。

根據(jù)圖1建立數(shù)值計(jì)算模型,模型網(wǎng)格共822個(gè),采用雙線性四邊形單元格進(jìn)行模擬。混凝土面板與過渡層、過渡層與堆石料之間的法向接觸均采用硬接觸模擬,切向接觸均采用罰函數(shù)定義。本文模型計(jì)算所采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。混凝土材料和基座采用理想的彈性本構(gòu)進(jìn)行考慮,其中彈性模量20GPa,泊松比0.18,密度2 500 kg/m3。為了計(jì)算簡(jiǎn)便,假設(shè)壩體基礎(chǔ)為剛性基礎(chǔ),并約束底部3個(gè)方向的自由度,左右邊界和上邊界均為自由邊界。

表1 材料力學(xué)參

表1中,k0為材料硬度;fs剛度系數(shù);k1為風(fēng)化后的固體硬度;φ為初始摩擦角;ed為最小孔隙比;ec臨界孔隙比;ei為最大孔隙比;α、β為系數(shù)。

3.2 計(jì)算步驟

為了充分模擬壩體的長(zhǎng)期變形效應(yīng),本文模擬步驟如下:①首先進(jìn)行初始應(yīng)力分析,得到重量荷載下的應(yīng)力分布;②激活主堆石和趾板計(jì)算;③計(jì)算水位上升導(dǎo)致的堆石壩變形;④模擬堆石壩材料和過渡層剛度退化導(dǎo)致的長(zhǎng)期變形。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

首先使用參數(shù)A進(jìn)行計(jì)算分析,得到大壩垂直位移等值線,見圖2。由圖2可知,蓄水初期,大壩下游處的變形基本為零;隨著蓄水時(shí)間長(zhǎng)度的增大,下游側(cè)逐漸產(chǎn)生變形。此外,在混凝土板的1/2處,垂直變形最大。由于材料的硬度下降,進(jìn)一步導(dǎo)致壩體發(fā)生蠕變效應(yīng)。根據(jù)蓄水和15年后的孔隙比降低曲線發(fā)現(xiàn),大壩孔隙比降低等值線的變化趨勢(shì)基本與垂直位移一致。蓄水初期,大壩下游處孔隙比降低基本為零;隨著時(shí)間的增大,孔隙比降低向下游擴(kuò)展,見圖3。總體來看,在本文假定的材料硬度改變下,壩體長(zhǎng)期變形相較于蓄水導(dǎo)致的變形更為顯著。

圖2 大壩垂直位移等值線 (單位: cm)

圖3 大壩孔隙比降低等值線

圖4為水庫(kù)不同時(shí)段混凝土面板的撓度曲線。其中,曲線2為蓄水初期變形曲線,曲線3為蓄水第一年變形曲線,曲線4為蓄水兩年后的變形曲線,曲線5為蓄水3年后的變形曲線。圖4表明,蓄水不同時(shí)段混凝土面板的撓度變化并不明顯,最大撓度發(fā)生在面板中心位置。此外,長(zhǎng)期蓄水會(huì)導(dǎo)致混凝土面板頂部發(fā)生明顯的單調(diào)增大效應(yīng)。

圖4 混凝土面板變形

圖5為大壩運(yùn)營(yíng)3年內(nèi)的壩體長(zhǎng)期蠕變過程的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。由圖5可知,在計(jì)算的3年內(nèi),3種參數(shù)下,大壩壩頂?shù)某两稻憩F(xiàn)出隨時(shí)間的增大而先增大后趨于穩(wěn)定。對(duì)于A參數(shù)而言,壩頂變形主要集中于前兩年內(nèi);對(duì)于B參數(shù)而言,壩頂變形主要集中于前1.5年內(nèi);對(duì)于C參數(shù)而言,壩頂變形主要集中于前0.8年內(nèi)。此外,3種參數(shù)對(duì)于壩頂?shù)淖畲蟪两底冃沃涤兴煌參數(shù)得到的壩頂最大沉降為0.06%壩高,B參數(shù)得到的壩頂最大沉降為0.1%壩高,C參數(shù)得到的壩頂最大沉降為0.12%壩高。總體來看,在本文考慮的亞塑性本構(gòu)模型下,材料的蠕變變形與材料的硬度系數(shù)有關(guān),即壩體的最終蠕變值、最終硬度值均與初始硬度值的差值有關(guān)。

圖5 大壩蓄水3年內(nèi)的變形

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

本文采用亞塑性模型,研究了混凝土面板堆石壩在蓄水后變形特征,結(jié)論如下:

1)亞塑性本構(gòu)模型能夠充分考慮材料的蠕變特性,對(duì)于描述大壩在蓄水多年后的蠕變變形是比較合理的。

2)由于材料的硬度下降,材料剛度退化,導(dǎo)致壩體發(fā)生蠕變效應(yīng)。根據(jù)蓄水初期和15年后的變形等值線圖和孔隙比降低曲線發(fā)現(xiàn),壩體長(zhǎng)期變形相較于蓄水導(dǎo)致的變形更為顯著;蓄水不同時(shí)段面板的撓度變化并不明顯,最大撓度發(fā)生在面板中心位置。蓄水長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致混凝土面板頂部發(fā)生明顯的單調(diào)增大。

3)材料的蠕變特性與材料的硬度系數(shù)有關(guān)。具體來看,壩體的最終蠕變值、最終硬度值均與初始硬度值的差值有關(guān)。

5.2 建 議

混凝土面板堆石壩具有適應(yīng)性強(qiáng)、建設(shè)成本低、度汛方便、施工效率高等優(yōu)點(diǎn),成為較為常見的壩體類型。為了保證施工質(zhì)量,需要做好原材料質(zhì)量控制、選擇合格的筑壩材料、做好科學(xué)配比;加強(qiáng)壩體填筑過程質(zhì)量控制,尤其是分層厚度及壓實(shí)度需滿足要求;混凝土面板澆筑振搗密實(shí),及時(shí)做好收面、養(yǎng)護(hù),避免面板裂縫及滲漏,進(jìn)而控制混凝土面板堆石壩變形。