李建文

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830001)

隨著我國西部大開發(fā)和“一帶一路”建設(shè)，我國的各種水利工程建設(shè)正在如火如荼的進(jìn)行中，如三峽大壩、葛洲壩等水利工程，這些大型的水利水電工程的穩(wěn)定性是我們非常關(guān)心的問題。面板砂石壩憑借其工期較短、造價較低以及取材方便等特點(diǎn)目前廣泛地運(yùn)用于各種壩體建設(shè)中。在一些靠海和一些水浪較大的海湖地區(qū)的砂石壩，長期遭受波浪荷載作用；因此有必要對波浪荷載作用下的面板砂石壩的動力特性進(jìn)行分析。目前已經(jīng)有一些學(xué)者對面板砂石壩的動力作用下的力學(xué)變形特性進(jìn)行了一些研究。肖福輝[1]對地震作用下的面板砂石壩的動力反應(yīng)進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬的手段，研究動力作用下壩體的變形分布規(guī)律。李陽[2]等利用ABAQUS軟件二次開發(fā)動力等效線性粘彈性模型，對已有板面砂石壩進(jìn)行動力響應(yīng)分析，研究了加速度、位移和參與變形等參數(shù)的變化情況。銀佳男[3]等對弱透水性的面板砂石壩進(jìn)行動力分析，研究了動力作用下面板砂石壩的滲流特性。鄒德高等[4]采用廣義塑性模型對面板砂石壩的有限元靜、動力進(jìn)行分析，研究了大壩的變形、動力反應(yīng)等變形規(guī)律。楊志磊等[5]采用三維非線性動力有限元法對面板砂礫石壩的動力反應(yīng)特性進(jìn)行了計算分析，得出了壩體和壩面加速度、位移和應(yīng)力等動力反應(yīng)。關(guān)志誠、黃舉、鳳煒、劉景青等[6- 8]對堆石壩的施工技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種更加可靠的施工技術(shù)。

鄧親云等[9]對土工膜斜墻堆石壩土工膜如何適應(yīng)變形而不產(chǎn)生拉應(yīng)力在結(jié)構(gòu)措施上提出了新的建議。王金玉[10]對壩體滲流進(jìn)行了研究，為壩體維護(hù)提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。

本文基于FLAC3D軟件，對高含砂面板砂石壩進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其位移和應(yīng)力動力參數(shù)反應(yīng)。以期對板面砂石壩設(shè)計進(jìn)行一定的參考作用。

1 基本原理

1.1 規(guī)則波浪理論

規(guī)則波浪理論形式簡單、較為成熟，因此目前應(yīng)用較為廣泛。假設(shè)波浪由一條正弦波組成，通過邊界條件，引入同時考慮三角函數(shù)的正交性。

1.2 隨機(jī)波浪理論

隨機(jī)波浪理論假設(shè)波浪由多個周期組成，通過多個正弦函數(shù)進(jìn)行重疊交叉進(jìn)而疊加成隨機(jī)波浪，隨機(jī)波浪與實(shí)際波浪更為相似，因此目前應(yīng)用這種理論的學(xué)者越來越多。如圖1所示為兩種波形時程圖。

圖1 兩種波面時程圖

2 波浪荷載下板面砂石壩的動力響應(yīng)分析

2.1 數(shù)值模型

利用FLAC3D軟件對面板砂石壩進(jìn)行建模。如圖2所示為壩體材料分區(qū)示意圖，圖3為計算網(wǎng)格模型圖。計算參數(shù)見表1。

2.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果

通過FLAC3D模擬壩體位移如圖4～6所示，分別截取不同時刻下壩體的水平和豎向位移云圖。

圖2 壩體材料分區(qū)圖

圖3 數(shù)值模型

材料名稱KnmKb墊料層15000.570.09770過渡層11500.550.14650主堆石料12000.350.14500次堆石料9000.560.08450

圖4 10s位移云圖

圖5 20s位移云圖

圖6 30s位移云圖

由圖4～6可知，不同時刻下壩體的豎向位移和橫向位移模式基本一致，豎向位移均是壩體中心位置最大，由中心位置呈環(huán)狀向外圍輻射位移逐漸變小，最大位移分別為1.132、1.135、1.41m。水平位移均是下游位移大于上游位移，向上游水平位移分別為15、15、15cm，向下游分別為18.54、18.74、19.06cm。沉降分別為113.2、113.5、114.1cm。由以上分析可知，豎向位移峰值出現(xiàn)在壩體內(nèi)部，水平位移向上游和向下游基本對稱，但是波浪荷載對下游唯一的影響較對上游的影響大，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工況較為符合，變形規(guī)律合理，進(jìn)一步說明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性以及必要性。如圖7～9所示為不同時刻下壩體的最大主應(yīng)力圖。

圖7 10s時壩體最大主應(yīng)力

圖8 20s時壩體最大主應(yīng)力

圖9 30s時壩體最大主應(yīng)力

如圖所示，壩體的最大主應(yīng)力分布在不同時刻基本一致，10、20、30s時最大主應(yīng)力分別為3.51、3.54、3.58MPa。出現(xiàn)在壩體下方靠近基巖位置，由圖可知壩體主應(yīng)力隨壩體斷面高程升高而降低，由此說明波浪荷載對壩體應(yīng)力的影響小于壩體自重的影響。壩體上游一側(cè)主應(yīng)力受波浪荷載影響較為明顯，這是由于上游側(cè)墊層區(qū)和過渡區(qū)的彈性模量要大于堆石區(qū)，所以由此分析數(shù)值模擬的結(jié)果也是較為合理的。總的來看，波浪荷載對壩體的主應(yīng)力影響程度有限。

圖10為孔隙水壓力沿高程變化曲線。由圖10可知，隨著高度的增加水壓力呈現(xiàn)先減小后穩(wěn)定在增大最后在減小的趨勢，因此在工程施工過程中，要合理的對不同高程的壩體進(jìn)行加固。

圖10 孔隙水壓力沿高程變化曲線

如圖11所示為壩體加速度時程曲線。

圖11 節(jié)點(diǎn)A加速度時程曲線

圖12 節(jié)點(diǎn)B加速度時程曲線

如圖11、12所示，對比順河和垂向加速度時程曲線可知，在0.8倍面板壩高位置，豎向加速度出現(xiàn)峰值為1.92，在下游面板壩頂部位置加速度為1.9。如圖11、12所示，面板壩在波浪荷載作用下順河加速度反應(yīng)較為強(qiáng)烈，最大加速度位置出現(xiàn)在壩頂靠下游處，最大加速度為6.37，而順河方向加速度波動較小。因此為防止壩頂塊石在慣性力作用下滾落，對下游壩坡采取放緩坡處理非常有必要。

3 結(jié)論

(1)通過壩體的水平和數(shù)值位移可知，豎向位移峰值出現(xiàn)在壩體內(nèi)部，水平位移向上游和向下游基本對稱，但是波浪荷載對下游位移的影響較對上游的影大，應(yīng)對壩體中心進(jìn)行砂石加密處理。

(2)壩體主應(yīng)力隨壩體斷面高程升高而低，由此說明波浪荷載對壩體應(yīng)力的影響小于壩體自重的影響。壩體上游一側(cè)主應(yīng)力受波浪荷載影響較為明顯，這是由于上游側(cè)墊層區(qū)和過渡區(qū)的彈性模量要大于堆石區(qū)。

(3)面板壩在波浪荷載作用下順河加速度反應(yīng)較為強(qiáng)烈，最大加速度位置出現(xiàn)在壩頂靠下游處，最大加速度為6.37而順河方向加速度波動較小。因此為防止壩頂塊石在慣性力作用下滾落，對下游壩坡采取放緩坡處理非常有必要。