吳志波
(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650021)
面板堆石壩最初發(fā)源于美國(guó),是一種在壩體底部放置塊石作為堆石體,上游面澆筑混凝土面板的一種壩體結(jié)構(gòu)類型[1]。其發(fā)展歷史大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期:拋填堆石階段;拋填堆石向碾壓堆石發(fā)展階段;采用碾壓堆石階段,逐漸向高壩和超高壩發(fā)展[2]。經(jīng)過(guò)120多年的發(fā)展,目前已經(jīng)成為一種常見(jiàn)的壩型。
隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,碾壓面板堆石壩在應(yīng)力變形和結(jié)構(gòu)密實(shí)度等方面有進(jìn)一步的改善[3],但是變形對(duì)于大壩的安全運(yùn)行依然是一個(gè)很大的隱患[4]。對(duì)于大壩的穩(wěn)定性影響因素眾多[5- 6],許多學(xué)者進(jìn)行了諸多的研究,同時(shí)也取得很大進(jìn)展,但是關(guān)于溫度場(chǎng)引起的應(yīng)力變化則較為復(fù)雜[7- 10],其研究相對(duì)較少。本文以此為出發(fā)點(diǎn),利用ABAQUS[11]對(duì)在運(yùn)行期內(nèi)考慮溫度場(chǎng)時(shí)大壩在相關(guān)荷載作用下的壩體應(yīng)力變形特性進(jìn)行研究,為大壩實(shí)際運(yùn)行提供理論依據(jù)。
以某水庫(kù)壩體以上流域集水面積66.8km2,上游主河道長(zhǎng)14.8km,河道比降16.9‰,大壩正常運(yùn)行水位447m。大壩荷載作用主要包含自重、水壓力、變溫荷載。水庫(kù)55m以下水溫保持在3.9℃左右,上面水溫受大氣溫度影響較大。統(tǒng)計(jì)多年平均氣溫見(jiàn)圖1:
圖1 多年平均氣溫圖
設(shè)定X方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?;Y方向豎直向上。壩體各部分按照對(duì)應(yīng)材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;靜水壓力在二維中按Pressure施加,選擇Hydrostatic分布,水容重取9.8kN/m3。
模型建立過(guò)程中,為了更符合實(shí)際情況,基巖底部設(shè)置成全約束,壩基兩側(cè)設(shè)置水平向約束;壩基上面壩體和面板不做過(guò)多設(shè)置??紤]到壩體的復(fù)雜性,對(duì)于選取的特征斷面,需要通過(guò)對(duì)其計(jì)算反映出壩體及面板其他部位的受力特性,進(jìn)而推算整體的穩(wěn)定性。本文選擇壩體最大橫斷面作為特征斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)889個(gè),單元總數(shù)835個(gè)。選取的壩體特征橫斷面如圖2所示;特征點(diǎn)位置及網(wǎng)格如圖3所示。
圖2 壩體橫斷面材料分區(qū)圖
圖4 壩體豎向位移云圖(m)
圖6 壩體水平位移云圖(m)
圖3 有限元模型單元
壩體沉降計(jì)算結(jié)果如圖4所示。
圖4可以看出,壩體上游中部A點(diǎn)下降明顯,壩體中部B、C、D三點(diǎn)出現(xiàn)輕微的上移,壩體底部位移變化不大。圖5是特征點(diǎn)豎向位移在不同月份的變化情況,B、C、D三點(diǎn)的變化趨勢(shì)相同,1至8月份隨著溫度的升高,由于壩體受熱膨脹,有向上移動(dòng)的趨勢(shì);8至12月份,隨著溫度的降低,壩體收縮,壩體逐漸收縮,特征點(diǎn)處位移還是向上。A點(diǎn)在庫(kù)區(qū)水面下,受到水體的隔離,基本處于恒溫狀態(tài),受重力和水壓力作用,有向下的位移,且其位移受外界溫度變化影響不明顯,最大沉降位移為2.57cm。
圖5 壩體特征點(diǎn)豎向位移圖
壩體水平位移計(jì)算結(jié)果如圖6所示。
圖6可以看出,在水壓力的作用下,壩體有向下游運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。水平位移最大值出現(xiàn)在壩體中部B點(diǎn)附近;A、C、D三點(diǎn)的位移相對(duì)較小,壩底幾乎不動(dòng)。
圖7是特征點(diǎn)水平位移在不同月份的變化趨勢(shì),從1至8月份隨著溫度的升高,由于壩體受熱膨脹,有向上和兩側(cè)移動(dòng)趨勢(shì)。A點(diǎn)位置處水平位移相對(duì)比較大,在1至7月份由靜水壓力產(chǎn)生的壩體位移和由于氣溫回升引起壩體受熱膨脹運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反;在8至12月份,壩體隨溫度的降低逐漸收縮;所以A點(diǎn)的位移先減小后增大,在8月份達(dá)到最小,最大位移出現(xiàn)在12月份,為4.34cm。D點(diǎn)受熱脹冷縮的影響,壩體位移在全年內(nèi)先增大后減小,最大位移出現(xiàn)在8月份。B、C兩點(diǎn)位于壩頂,水壓力作用大于比較明顯,所以整體向下游運(yùn)動(dòng),兩者位移變化幾乎一致,位移大小在2cm左右。
壩體最大主應(yīng)力計(jì)算云圖如圖8所示。
由圖可知,壩體基本處于受壓狀態(tài),壩體內(nèi)應(yīng)力分布比較均勻,壓力分布隨高程的增加逐漸減小,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在底部壩體和壩基接觸位置。溫度變化對(duì)壩體的應(yīng)力分布有影響,其中,壩體最大主應(yīng)力在每月份有所不同,最大值出現(xiàn)在8月份,其值為1.98MPa;在1月份時(shí)最小,其值為1.57MPa。
壩體最小主應(yīng)力計(jì)算云圖如圖9所示。
由圖9可知,壩體內(nèi)部整體處于受壓狀態(tài),且壓應(yīng)力最大值隨溫度變化有所變化。在壩頂防浪墻處和壩體與面板接觸位置出現(xiàn)局部拉應(yīng)力,拉應(yīng)力隨著溫度的降低會(huì)有所增大。因?yàn)槲挥诒韺拥幕炷僚c大氣直接接觸,易受氣溫變化影響。
壩體最小主應(yīng)力最大值出現(xiàn)12月份,為-0.234MPa,最小值出現(xiàn)在8月份,為-0.121MPa。在整個(gè)年度內(nèi),應(yīng)力均滿足材料的強(qiáng)度要求。
圖9 不同月份壩體最小主應(yīng)力云圖(KPa)
圖11 不同月份面板最大主應(yīng)力云圖(KPa)
圖12 不同月份面板最小主應(yīng)力云圖(KPa)
面板主應(yīng)力在全年變化如圖10所示。
圖10 面板應(yīng)力變化圖
由圖10可知,混凝土面板的最大主應(yīng)力的變化趨勢(shì)為隨著溫度的升高逐漸增大,隨溫度降低逐漸減小,最大值出現(xiàn)在8月份;分布位置受氣溫變化影響較大,7至10月份主要分布于趾板位置處,11至來(lái)年6月份則主要分布在距壩底下側(cè)1/3~1/2處。最小主應(yīng)力隨著溫度的升高逐漸增大,隨溫度降低逐漸減小,影響效果不太明顯。7、8月份集中分布在混凝土面板頂部,9至來(lái)年6月份主要分布在面板底端1/3~1/2位置處?;炷撩姘宓湫驮路莸淖畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力分布如圖11~圖12所示。
考慮到混凝土面板抗拉性能較差,庫(kù)區(qū)底部低溫水會(huì)對(duì)面板產(chǎn)生溫度應(yīng)力,進(jìn)而可能對(duì)拉應(yīng)力分布范圍和大小產(chǎn)生影響,加劇混凝土的開(kāi)裂。從拉應(yīng)力隨溫度的分布來(lái)看,混凝土面板下側(cè)出現(xiàn)裂縫機(jī)率較大的是12月份和1月份。本工程最大拉應(yīng)力為0.236MPa,滿足材料的抗拉強(qiáng)度要求。
(1)壩體整體有向下游運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。豎向位移最大值出現(xiàn)在上游斜面距壩底1/3位置處,水平位移最大值出現(xiàn)在上游面板中部。
(2)壩體整體處于都是受壓狀態(tài),受氣溫變化的影響,最大主應(yīng)力在8月份達(dá)到最大;最小主應(yīng)力在12月份達(dá)到最大,均滿足強(qiáng)度要求。
(3)混凝土面板最大主應(yīng)力隨溫度升高逐漸增大,最大值出現(xiàn)在8月份。最小主應(yīng)力隨溫度降低逐漸增大,最大值出現(xiàn)在12月份。
(4)綜合考慮,建議在12月份加強(qiáng)大壩面板的檢測(cè)力度。
[1] 蔣國(guó)澄, 傅志安. 混凝土面板壩工程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1997.
[2] Cheng YM, Lansivaara T, Wei W B. Two-dim tensional slope stability analysis by limit equilibrium and strength reduction methods[J]. Computers and Geotechnics, 2007(34): 137- 150.
[3] 能惠, 楊澤艷. 中國(guó)混凝土面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)步[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2012(08): 1361- 1368.
[4] 沈珠江. 面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析的若干問(wèn)題[A]. 中國(guó)混凝土面板堆石壩十年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]. 建筑工業(yè)出版社, 1995.
[5] 章加森. 羅村水庫(kù)大壩混凝土面板施工技術(shù)探討[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2016(04): 99- 101.
[6] 沈鳳生. 混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)與實(shí)踐關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2017(01): 1- 6.
[7] 王瑞駿, 王黨在, 陳堯龍, 等. 混凝土面板堆石壩施工期面板溫度應(yīng)力仿真分析[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2004, 10(10): 123- 126.
[8] 張國(guó)新, 張丙印, 王光綸. 混凝土面板堆石壩溫度應(yīng)力研究[J]. 水利水電技術(shù), 2001(07): 1- 5.
[9] 代艷芳, 茍勤章, 王晉川. 寒冷地區(qū)在第三系軟質(zhì)巖壩基上修建混凝土面板堆石壩[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2007(05): 46- 48.
[10] 李宏偉. 碾壓混凝土大壩施工溫度控制措施與效果[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2013(03): 60- 63.
[11] 朱伯芳. 有限單元法原理與應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 1998.