韓 芳 汪 君

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院,武漢 430065;2.冶金工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430081;3.中國(guó)五環(huán)工程有限公司,武漢 430223)

面板堆石壩是以堆石為受力主體、混凝土面板為防滲主體的一種新型的土石壩類(lèi)型,具有就地取材、適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),成為目前壩工結(jié)構(gòu)中競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)、發(fā)展前景好的壩型.我國(guó)的面板堆石壩設(shè)計(jì)中,一般取壩體中心部位的區(qū)域(俗稱“死區(qū)”)下游側(cè)的邊界作為主次堆石的分界,但國(guó)外的一些工程卻傾向于將次堆石的區(qū)域擴(kuò)大至“死區(qū)的上游側(cè)”以擴(kuò)大次堆石體的范圍,如關(guān)門(mén)山面板壩采用俯傾1∶0.6主次分區(qū),龍溪面板壩采用俯傾1∶0.5主次分區(qū),而澳大利亞塔斯馬尼亞面板壩采用仰傾1∶0.2主次分區(qū)[1-2].其次,主次堆石體由于分布差異而造成的不均勻變形將在面板內(nèi)形成較大的拉應(yīng)力,成為引起面板裂縫的重要因素之一[3].目前確定區(qū)分邊界的常規(guī)做法是在滿足水力過(guò)渡和變形模量遞減的原則后,參照已有工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)選定[4-5].由此可見(jiàn),研究主次堆石體的合理分區(qū)對(duì)分析面板的應(yīng)力應(yīng)變是有積極意義的,本文將以實(shí)際工程為例進(jìn)行主次堆石體分界探討.

1 計(jì)算原理及方法

1.1 Duncan-Chang EK模型

鄧肯張EK非線性彈性模型采用切線彈性模量和體積模量?jī)蓚€(gè)彈性常數(shù)[6],其中:

切線彈性模量

體積模量

回彈模量

應(yīng)力水平

可見(jiàn),該模型共有8個(gè)參數(shù):K,Kur,Rf,Kb,m, n,c,φ,可由一組三軸試驗(yàn)確定.對(duì)堆石材料,常取c= 0并使用如下的非線性強(qiáng)度參數(shù)φ0和Δφ0[7].

1.2 計(jì)算說(shuō)明

(1)采用ANSYS中的APDL語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),設(shè)計(jì)需要的模型單元.使用APDL給每個(gè)單元定義一個(gè)材料號(hào),分級(jí)施加荷載,在每個(gè)荷載步結(jié)束時(shí)提取出各單元的σ1和σ3,據(jù)此計(jì)算出下個(gè)荷載步的彈性模量E,再修改各單元材料屬性進(jìn)行下一步計(jì)算.

(2)在混凝土面板和堆石體這兩種變形特性相差較大的材料間設(shè)置接觸單元來(lái)模擬兩者之間的力學(xué)性能(CONTA172定義目標(biāo)面,TARGE169定義接觸面).

(3)使用 Duncan-Chang模型進(jìn)行有限元分析時(shí),初始狀態(tài)對(duì)計(jì)算有重要影響,然而實(shí)際土體的初始應(yīng)力狀態(tài)是無(wú)法精確計(jì)算的,作為近似估計(jì),可以采用土體的自重應(yīng)力.

(4)采用生死單元模擬動(dòng)態(tài)施工過(guò)程,采用增量法考慮荷載的逐級(jí)施工,計(jì)算出施工各階段的應(yīng)力變形,該方法可反映結(jié)構(gòu)本身隨施工填筑而變化對(duì)應(yīng)力變形的影響.

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

蓼葉水庫(kù)混凝土面板堆石壩,壩頂高程503.40 m,最大壩高67.4m,壩頂長(zhǎng)377.21m.主次堆石料均選用石英長(zhǎng)石砂巖和巖屑石英砂巖,飽和抗壓強(qiáng)度35～50MPa.計(jì)算選取最大壩高斷面,采用不同壩體分區(qū)的3個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算,3方案的次堆石體上游分界線的坡度有所不同,方案1為仰傾,坡比1∶0.2,方案2為俯傾,坡比為1∶0.2,方案3為俯傾,坡比為1∶0.6(如圖1所示).

圖1 3個(gè)方案混凝土面板堆石壩基本剖面圖

該面板堆石壩的位移-應(yīng)力計(jì)算采用 Duncan-Chang非線性彈性模型.該模型由常規(guī)三軸試驗(yàn)來(lái)確定變化的彈性材料參數(shù),見(jiàn)表1.

表1 Duncan-Chang(E-K)模型材料參數(shù)

建立有限元模型如圖2所示,基礎(chǔ)取1.5倍壩高,基礎(chǔ)上、下游端部距上、下游壩坡腳取1.5倍壩高.采用四節(jié)點(diǎn)等參單元,總節(jié)點(diǎn)數(shù)3 314,總單元數(shù)3234.上、下游端部的邊界施加順河流向位移約束,底部施加鉛垂向位移約束.

圖2 面板堆石壩有限元計(jì)算模型(以方案1為例)

將壩體分為13層以模擬每層填筑或分段加載.在計(jì)算中共分17級(jí)加載,其中壩基及覆蓋層作為一級(jí)加載.在第1級(jí)加載中,只計(jì)入初始應(yīng)力場(chǎng),不計(jì)入位移.隨后按壩的填筑高程依次第2級(jí)至第14級(jí)加載.第15級(jí)加載為庫(kù)水壓力(死水位474m),第16級(jí)加載為庫(kù)水壓力(水位490m),第17級(jí)加載為庫(kù)水壓力(正常蓄水水位500m).

2.2 結(jié)果整理

3個(gè)方案在竣工期和正常蓄水期的變形見(jiàn)表2.

表2 面板堆石壩最大變形值 (單位:cm)

2.3 方案對(duì)比

(1)位移分析:方案1變形最大,方案3變形最小.3個(gè)方案的最大沉降分別占?jí)胃叩?.185%、0.169%、0.154%,均小于壩高的1%,在合理范圍內(nèi);3個(gè)方案竣工期壩體的沉降值,以方案1最大,方案3最小;3個(gè)方案向上游的水平變形的最大值均位于距壩基面上1/3壩高的上游壩坡面上,向上游水平變形最大值分別為14.9cm,14.6cm和14.5cm;3個(gè)方案向下游的水平向變形最大值均在距壩基面上1/3壩高的下游壩坡面上,向下游水平變形最大值分別為16.2cm,15.9cm和15.2cm.

(2)應(yīng)力分析:竣工期和蓄水期3個(gè)方案在上、下游壩坡面、壩頂及下游壩坡腳處的很小局部區(qū)域出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力,不同的方案對(duì)這些區(qū)域的拉應(yīng)力影響不同.對(duì)上部馬道,3個(gè)方案的拉應(yīng)力峰值較為接近,對(duì)下部馬道,方案2在該處的拉應(yīng)力峰值最小,方案1的拉應(yīng)力峰值最大;對(duì)上游壩坡面,方案2拉應(yīng)力峰值最小,方案1的拉應(yīng)力峰值最大;對(duì)壩頂,方案1拉應(yīng)力峰值最小,對(duì)下游壩坡腳,方案3拉應(yīng)力峰值最小,方案2最大.由此可見(jiàn),對(duì)于不同的部位,3方案各有優(yōu)劣.

(3)應(yīng)力水平:應(yīng)力水平反映了土體的抗剪切破壞能力的裕量,3個(gè)方案大壩上的應(yīng)力水平峰值均出現(xiàn)在下游壩坡面的下部,此時(shí)3個(gè)方案的應(yīng)力水平峰值分別為0.55(方案1),0.56(方案2),0.54(方案3).由此可見(jiàn),壩體上抗剪切強(qiáng)度在正常蓄水期均有較大的富裕,能保證大壩的抗滑穩(wěn)定.

3 結(jié) 論

(1)從變形來(lái)看,方案3(俯傾,坡比1∶0.6)最優(yōu),二次變形較小;從應(yīng)力來(lái)看,3個(gè)方案的壓應(yīng)力峰值在同一個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)于不同的部位,各方案略有優(yōu)劣;從應(yīng)力水平來(lái)看,3方案略有差異,皆滿足穩(wěn)定性要求.

(2)綜合分析應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性條件,建議該混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)中,主堆石及下游堆石體的界線設(shè)置成自壩軸線向下游傾斜,其坡度在1∶0.6左右,可保證穩(wěn)定性及應(yīng)力變形條件最佳.該結(jié)論可為類(lèi)似堆石壩結(jié)構(gòu)提供參考.

[1] 蔡 新.混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005:95-98.

[2] 蔣國(guó)澄,趙增凱.中國(guó)混凝土面板堆石壩的近期進(jìn)展[J].貴州水力發(fā)電,2004,18(15):1-4.

[3] 劉 招,苗隆德.基于APDL的混凝土面板堆石壩三維非線性有限元分析[J].西北水力發(fā)電,2004,20(4):17-20.

[4] 傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1993:10-15.

[5] 曹克明.超高面板堆石壩堆石體分區(qū)及相關(guān)問(wèn)題[J].土石壩與巖土工程實(shí)踐及探索-2004年技術(shù)研討會(huì)論文集.2004:5-9.

[6] 徐澤平.面板堆石壩應(yīng)力變形特性研究[M].北京:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,2005:112-115.

[7] 徐澤平,鄧 剛.高面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)展及超高面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題探討[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(10): 1226-1234.