褚福永

(麗水學(xué)院 土木工程系，浙江 麗水 323000)

土石壩因其對(duì)地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。隨著土石壩設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的快速發(fā)展，在狹窄河谷修建堆石壩逐漸受到重視和應(yīng)用，例如，我國的白云壩、獅子坪壩等。這些修建在狹窄河谷的堆石壩均有別于寬河谷大壩的變形特性，因此，有必要對(duì)狹窄河谷上土石壩的應(yīng)力變形特性進(jìn)行研究。

目前，水電工程設(shè)計(jì)中對(duì)寬河谷大壩已經(jīng)有了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)狹窄河谷往往要用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行模擬分析，尤其對(duì)于100～200 m的高土石壩。其中，有限單元法對(duì)復(fù)雜地形下土石壩的數(shù)值計(jì)算具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。這里需要指出的是，有限元數(shù)值計(jì)算中所采用的本構(gòu)模型及選用參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大?，F(xiàn)有在有限元計(jì)算中應(yīng)用較多土體本構(gòu)模型主要有非線性彈性模型(如鄧肯模型)和彈塑性模型(如劍橋模型)，其中，鄧肯模型因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便而得到廣泛使用[3-7]。

本文針對(duì)某狹窄河谷上心墻堆石壩，應(yīng)用鄧肯-張E-v模型進(jìn)行了三維靜力有限元計(jì)算分析，研究了壩體在竣工期、蓄水期的應(yīng)力變形特性。

1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

某建在覆蓋層較深厚狹窄河谷(“V”型河谷)上心墻土石壩，其最大壩高136 m，壩基覆蓋層最大厚度為92.5 m。大壩主要材料分區(qū)和和三維有限元網(wǎng)格分別(見圖1，圖2)。單元網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)土石料、混凝土等單元，主要以8結(jié)點(diǎn)6面體為主，少數(shù)為6結(jié)點(diǎn)5面體、4結(jié)點(diǎn)4面體等過渡。

三維有限元計(jì)算中，考慮了壩體壩體分層填筑(即竣工期)和分級(jí)蓄水至正常高水位(即蓄水期)。壩體各種堆石料采用鄧肯-張E-v非線性彈性模型，模型有8個(gè)參數(shù)，即φ、c、Rf、k、,n、G、F和D，可通過三軸試驗(yàn)確定。高塑性粘土與混凝土結(jié)構(gòu)的接觸面采用無厚度Goodman單元模型。鄧肯-張E-v模型參數(shù)和Goodman單元模型參數(shù)分別(見表1,表2)。

圖1 典型斷面及材料分區(qū)圖

圖2 三維有限元網(wǎng)格

名稱δ/(°)c/kPaRfK1nKn混凝土與接觸粘土之間接觸面15500.862 0000.69 900 000

表2 鄧肯-張E-v模型參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)狹窄河谷上心墻土石壩進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，研究大壩竣工期和蓄水期的應(yīng)力變形，其變形最大值及相關(guān)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)值列于表3?？梢钥闯?，竣工期和蓄水期得到的應(yīng)力變形性態(tài)存在明顯差異，下面重點(diǎn)分析壩體竣工期和蓄水期應(yīng)力變形性狀。

表3 三維有限元計(jì)算的蓄水后大壩主要應(yīng)力變形值

2.1 壩體變形性狀

圖3-5分別給出了壩體竣工期和蓄水期的典型沉降等值線圖、順河向水平位移等值線圖和壩軸線水平位移等值線圖?？梢钥闯觯⒐て诤托钏趬误w的沉降、順河向水平位移和壩軸向水平位移分布規(guī)律基本相同。需要說明的是，圖4中“+”表示向下游位移，“-”表示向上游位移。

從圖3(a)和圖3(b)可以看出，竣工期和蓄水期最大沉降值均位于壩殼下部的河谷原地面附近。其主要原因是由于由于廊道及防滲墻有一定的支撐作用作用，導(dǎo)致心墻中間正下方沉降與壩殼及其下面的覆蓋層沉降相比較小。其中，竣工期的最大沉降值為為126.39 cm，占?jí)胃?包括覆蓋層)的0.56%；蓄水后，壩體稍有上抬，壩體最大沉降為121.41 m。占?jí)胃叩?.538%。

從圖4(a)可以看出，由于大壩橫斷面基本對(duì)稱，竣工期順河向的水平位移不大，且以壩軸線基本對(duì)稱，下游位移略大，下游壩殼向下游的最大水平位移為34.68 cm，上游壩殼向上游的最大水平位移為28.64 cm。位移最大值位于上下游壩殼的中部偏下靠近地面線部位，占?jí)胃?包括覆蓋層)的0.15%。從圖4(b)可以看出，蓄水后，壩體順河向水平位移稍有增加，最大水平位移達(dá)38.63 cm，占?jí)胃?包括覆蓋層)的0.17%。由此可見，竣工期和蓄水期的順河向水平位移均不大，壩體穩(wěn)定性較好。

圖5(a)和圖5(b)分別給出了竣工期和蓄水期的壩軸向位移。從圖5(a)和圖5(b)可以看出，由于岸坡較陡，壩體呈現(xiàn)向河谷中間位移趨勢(shì)。圖5(a)和圖5(b)同時(shí)顯示，竣工期的心墻位移最大達(dá)16 cm左右，蓄水后也有14 cm。

圖3 壩體典型斷面沉降等值線圖(單位：cm)

圖4 壩體典型斷面順河向等值線圖(單位：cm)

圖5 壩體典型斷面壩軸向等值線圖(單位：cm)

2.2 壩體應(yīng)力性狀

圖6-7分別給出了壩體竣工期和蓄水期典型斷面的大、小主應(yīng)力等值線圖。

圖7(a)和圖7(b)可以看出，竣工期和蓄水期壩體小主應(yīng)力分布規(guī)律相似，竣工期和蓄水期的心墻小主應(yīng)力均大于零，即沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，心墻不會(huì)出現(xiàn)拉裂縫。

圖7(a)和圖7(b)同時(shí)顯示，岸坡段的斷面，小主應(yīng)力幾乎不受拱效應(yīng)的影響，但河谷段的拱效應(yīng)對(duì)小主應(yīng)力仍然有影響。從7(a)和圖7(b)還可以看出蓄水后，上游壩殼的小主應(yīng)力顯著減小。

圖6 壩體典型斷面大主應(yīng)力等值線圖(單位：cm)

圖7 壩體典型斷面壩小主應(yīng)力等值線圖(單位：cm)

3 結(jié) 論

本文利用鄧肯-張E-v模型，對(duì)某狹窄河谷上心墻堆石壩進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析，探討了壩體在竣工期、蓄水期體的應(yīng)力變形特性。得到了以下主要結(jié)論：(1)竣工期的最大沉降值為126.39 cm，占?jí)胃?包括覆蓋層)的0.56%；蓄水后，壩體稍有上抬，壩體最大沉降為121.41 m。占?jí)胃叩?.538%；(2)位移最大值位于上下游壩殼的中部偏下靠近地面線部位，占?jí)胃?包括覆蓋層)的0.15%。蓄水后，壩體順河向水平位移稍有增加，最大水平位移達(dá)38.63 cm，占?jí)胃?包括覆蓋層)的0.17%；(3)由于岸坡較陡，壩體呈現(xiàn)向河谷中間位移趨勢(shì)?？⒐て诘男膲ξ灰谱畲蠹s為16 cm，蓄水后也有14 cm；(4)竣工期和蓄水期壩體大主應(yīng)力均受拱效應(yīng)的影響；(5)竣工期和蓄水期的心墻小主應(yīng)力均大于零，即沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，心墻不會(huì)出現(xiàn)拉裂縫。