羅玉艷

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150030)

土石壩瀝青混凝土心墻變形特性分析

羅玉艷

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150030)

近年來中國水利工程迅速發(fā)展，土石壩以其自身特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，尤其是在以瀝青混凝土心墻構(gòu)建起的防滲體系壩型中。目前國內(nèi)瀝青混凝土心墻壩數(shù)量很多，對于瀝青混凝土心墻的理論研究和施工工藝較為成熟。文章結(jié)合工程實(shí)例，有限元分析研究混凝土心墻的應(yīng)力變形，總結(jié)其特性變化規(guī)律，為大壩在心墻的設(shè)計(jì)中提供一定指導(dǎo)。

土石壩；瀝青混凝土；心墻；防滲；變形

1 瀝青混凝土心墻壩特點(diǎn)

瀝青混凝土心墻壩在中國普遍應(yīng)用，在于瀝青混凝土諸多特點(diǎn)：柔性，抗?jié)B性等特性突出，在水利工程中，瀝青混凝土現(xiàn)多被作為防滲體，有極強(qiáng)的適應(yīng)變形特性[1]。與普通混凝土相比，瀝青混凝土受外界環(huán)境變化較敏感，其混凝土強(qiáng)度和破壞變形隨外界溫度或荷載作用變化顯著。水工瀝青混凝土除過防滲性能良好外，還具有低溫抗裂、高溫抗斜坡流淌、較好適應(yīng)地基變形、抗老化、水穩(wěn)定等多項(xiàng)性能。

瀝青混凝土心墻土石壩中的防滲體受外力荷載和環(huán)境因素影響小，它具有防滲性能較好，混凝土澆筑不過水；適應(yīng)外界荷載能力較強(qiáng)，對于壩體的不均勻沉陷和岸坡基巖都有良好的適應(yīng)性；工藝簡單，與壩體施工同步，有利于節(jié)省工期和投資，提高工程進(jìn)度；塑性性能良好，強(qiáng)度高，抗沖擊性較強(qiáng)，地震時破壞的可能性降低；瀝青混凝土防滲結(jié)構(gòu)的特性在工程中效果顯著，工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

2 有限元分析原理和本構(gòu)模型

2.1 線彈性模型[2]

線彈性模型表達(dá)式為：

σ=Eε

(1)

當(dāng)壓力和體積發(fā)生變化，由虎克定律得：

(2)

式中：K為體積壓縮模量。

τ=Gγ

(3)

式中：G為剪切彈性模量；τ為剪切應(yīng)力；γ為剪切應(yīng)變。

對于各項(xiàng)同性材料而言，E、K、G有以下關(guān)系：

E=3K(1-2μ)=2G(1+μ)

(4)

混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一般是非線性的，區(qū)間在30%-50%下應(yīng)力較小，此時塑性應(yīng)變在總應(yīng)變的比例相對較小，大于50%時，塑性應(yīng)變的比例逐漸增大。

2.2 鄧肯-張模型

非線性彈性模型常以鄧肯-張雙曲線模型為本構(gòu)模型，表達(dá)式中的物理參數(shù)可由常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)確定[3]。

其切線變形模量表達(dá)式為：

Et=Ei(1-RfS)2

(5)

式中：Rf為破壞比，表達(dá)式為：

(6)

式中：S為應(yīng)力水平，即實(shí)際側(cè)限抗壓強(qiáng)度與破壞時的側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值：

(7)

于是可將切線變形模量寫成：

(8)

在靜力計(jì)算的E-μ非線性彈性模型來說，切線泊松比μt表達(dá)式為：

(9)

式中：

(10)

式中：μi為初始泊松比，表達(dá)式為：

(11)

式中：G、F、D為試驗(yàn)參數(shù)。通過三軸剪切試驗(yàn)可確定8個試驗(yàn)參數(shù)值。

隨后鄧肯對該模型進(jìn)行修正，并提出適用性更強(qiáng)的E-B模型，可從三軸試驗(yàn)結(jié)果中得出體積模量Bt，由Bt，Et作為參數(shù)再求得μt的方法，式中：

(12)

式中：Kur、n為—由卸荷再加荷試驗(yàn)確定的參數(shù)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水利樞紐工程規(guī)模為大(1)型一等工程，主要水工建筑物包括大壩、泄洪洞、引水發(fā)電隧洞和電站廠房。水庫總庫容16.32億m3,電站裝機(jī)350MW,綜合效益以灌溉為主,兼有發(fā)電、防洪等效益。大壩為黏土心墻壩 ,正常蓄水位為994.0m，設(shè)計(jì)洪水位為998m，校核洪水位為1001.3m，最大壩高85m,壩頂長326m, 壩頂寬度12m[4],大壩的典型斷面如圖1。

圖1 某大壩典型斷面剖面圖

3.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型的范圍選取：該黏土心墻壩最大壩高為85m, 分別沿壩體上、下游坡腳處沿水平方向各取1倍壩高，Y方向，從基巖面豎直向下取1倍壩高。

計(jì)算坐標(biāo)系定義如下：X向?yàn)轫樅恿鞣较蛑赶蛳掠螢檎?；Y向?yàn)樨Q直方向指向上為正。有限元網(wǎng)格劃分：采用三角形和四邊形單元相結(jié)合的形式進(jìn)行單元剖分。模型剖分后單元總數(shù)6235個，結(jié)點(diǎn)總數(shù)15382個。大壩有限元模型[5]如圖2所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果

圖3-5為竣工期瀝青混凝土心墻的應(yīng)力應(yīng)變等值線圖(考慮到文章篇幅，文章只表示出竣工期的大壩心墻應(yīng)力應(yīng)變等值線圖)。

圖2 壩體三維有限元模型

圖3 竣工期心墻剖面垂直位移等值線圖

圖4 在竣工期心墻剖面水平位移等值線圖

圖5 竣工期心墻剖面大主應(yīng)力等值線圖

圖6 竣工期心墻剖面小主應(yīng)力等值線圖

表1 瀝青混凝土心墻的計(jì)算成果表

特征值竣工期蓄水期數(shù)值出現(xiàn)部位數(shù)值出現(xiàn)部位心墻垂直最大沉降/cm63.25約1/2壩高處,壩體中部64.37約1/2壩高處,壩體中部心墻沿壩軸線方向最大位移左岸/cm-8.65約3/4壩高處,左岸側(cè)-8.13約3/4壩高處,左岸側(cè)右岸/cm11.58約3/4壩高處,右岸側(cè)11.16約3/4壩高處,右岸側(cè)心墻大主應(yīng)力極值/MPa-2.18壩體基巖面與心墻基座接觸附近-3.26壩體基巖面與心墻基座接觸附近心墻小主應(yīng)力極值/MPa-0.73約1/5壩高處,壩體中部心墻處-1.32約1/5壩高處,壩體中部心墻處

計(jì)算結(jié)果分析：

在竣工期，瀝青混凝土心墻的最大沉降量為63.25cm，大約在心墻1/2處。蓄水后，最大沉降量增加1.12cm，出現(xiàn)位置同竣工期。故心墻沉降量變化等值線分布規(guī)律和部位基本相同。

竣工期，瀝青混凝土心墻的最大水平位移，左岸8.65cm右岸11.583m，出現(xiàn)位置均在靠近各自岸坡的約3/4高程處。蓄水后，心墻的最大位移為，左岸8.13m右岸11.168m，大約位置在靠近岸坡約3/4處。蓄水前后瀝青混凝土心墻的水平位移變化不大，規(guī)律和部位也都大體相同。

瀝青混凝土心墻大、小主應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。竣工期，瀝青混凝土的心墻大主應(yīng)力最大值為2.18MPa，極值在心墻底部。蓄水后大主應(yīng)力增加了1.08MPa，極值位置均位于心墻和壩基的接觸部位。蓄水前后的應(yīng)力等值線基本平行且分布規(guī)律相同，通過圖示表明應(yīng)力水平和深度呈正比關(guān)系。蓄水前后心墻的小主應(yīng)力極值是-0.73MPa和-1.32MPa。瀝青混凝土心墻在不同工況下，大面積受壓，僅在左右岸與心墻基座的附近有小范圍拉應(yīng)力區(qū)，通過圖示顯示最大拉應(yīng)力值為0.86MPa。通過蓄水前后的應(yīng)力分布對比得出，瀝青混凝土心墻的上、下游過渡料有明顯的拱效應(yīng)，降低了心墻的垂直應(yīng)力，導(dǎo)致壩體施工完成時心墻的最大大主應(yīng)力為2.18MPa，明顯小于壩體的大主應(yīng)力值。

混凝土心墻的應(yīng)變主要為壓應(yīng)變，其最大值為2.36%。蓄水后各方向的應(yīng)變均有所增大。

圖3-7給出了心墻不同高程處的靜水壓力和各應(yīng)力分布圖[6]。

圖7 蓄水期心墻應(yīng)力分布圖

由圖可以看出，此模型的瀝青混凝土心墻不同高程處的鉛直向應(yīng)力大于靜水壓力，同時也大于水壓力，幾乎不可能發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象。通過瀝青混凝土心墻的計(jì)算結(jié)果表明，蓄水前后心墻的位移變化、應(yīng)力應(yīng)變均在合理范圍內(nèi)，故大壩可以安全蓄水，瀝青混凝土心墻性能穩(wěn)定且安全可靠。

4 結(jié) 語

在土石壩有限元基本原理分析和鄧肯-張E-B模型的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合工程構(gòu)建出三維有限元模型，對瀝青混凝土壩體和心墻進(jìn)行了在竣工期和蓄水期兩種不同工況的下有限元靜力分析，得出瀝青混凝土心墻壩的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及壩體安全性結(jié)論。結(jié)果表明壩體心墻應(yīng)力分布規(guī)律基本合理，工程的安全性可以得到保證。

[1]郝巨濤.國內(nèi)瀝青混凝土防滲技術(shù)發(fā)展中的重要問題.水利學(xué)報(bào)，2008(10)：1213-1219.

[2]王德庫，金正浩.土石壩瀝青混凝土防滲心墻施工技術(shù)[M].中國水利水電出版社，2006:96.

[3]中華人民共和國國家能源局.DL/T5411—2009土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].杭州：西冷出版社，2009.

[4]王為標(biāo)，孫振天.瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變特性研究[J].水利學(xué)報(bào)，1996(05):1-8.

[5]謝江紅.土石壩靜力有限元分析[J].黑龍江科技信息，1996(05):233.

[6]張小濤.瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力變形分析及心墻基座有限元研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2011.

Analysis for Asphalt Concrete Core Deformation Characters of Earth-rock Dam

LUO Yu-yan

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

In recent years,the water conservancy project developed rapidly in China, earth-rock dams were applied widely due to its characters, especially in the dam type of seepage protection constructed by the asphalt concrete core. At present, there are a lot of asphalt concrete core walls in China, the theatrical research for asphalt concrete core wall is natured and it is advanced of the construction technology.In combination with the project case, this paper analyzed the finite elements to study the stress deformation of concrete core wall and draw a conclusion of the character changing law, so as to provide reference for the design of dam core.

earth-rock dam; asphalt concrete; core; seepage protection; deformation

1007-7596(2017)07-0022-04

2017-06-20

羅玉艷(1963-)，女，黑龍江哈爾濱人，工程師。

TV642

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