王建祥, 唐新軍, 張凌凱
(1.北部灣大學(xué)建筑工程學(xué)院,廣西欽州 535011; 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)
澆筑式瀝青混凝土由于具有良好的變形協(xié)調(diào)能力、抗沖刷和老化能力等優(yōu)點(diǎn)[1-4],同時(shí)也能夠滿足在高地震烈度、深厚覆蓋層等復(fù)雜條件下的筑壩要求[5-8],現(xiàn)在很多的土石壩都建立在深厚覆蓋層上,但覆蓋層對(duì)心墻土石壩的性能有很大的影響[9-11],國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了相關(guān)方面的研究[12-15]. 針對(duì)深厚覆蓋層壩基,白新革等[16-18]對(duì)廊道進(jìn)行了有限元分析計(jì)算,探討了覆蓋層厚度對(duì)廊道應(yīng)力和變形的影響,分析結(jié)果表明,增加覆蓋層厚度,廊道的應(yīng)力和變形均增大. 在地震高發(fā)區(qū),覆蓋層對(duì)心墻壩的抗震性能影響更大.馮蕊等[19-21]針對(duì)深厚覆蓋層心墻壩進(jìn)行了動(dòng)力計(jì)算分析,得到了防滲體的加速度、動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移的變化規(guī)律. 但目前對(duì)心墻壩中關(guān)于覆蓋層方面的研究分析還不夠深入. 本文考慮在地震作用下,根據(jù)有限元分析模型,研究在不同厚度的覆蓋層條件下,對(duì)瀝青心墻壩進(jìn)行地震計(jì)算分析,探討覆蓋層厚度對(duì)心墻壩動(dòng)力響應(yīng)的影響.
某水利樞紐工程具有灌溉、供水等綜合利用效益,擔(dān)負(fù)下游工業(yè)園區(qū)1 110.85萬(wàn)m3/a的供水任務(wù). 該工程為Ⅲ等中型工程,大壩設(shè)計(jì)為瀝青混凝土心墻壩,壩高66 m,上、下游面坡比分別為1∶2.25和1∶2. 樞紐正常蓄水位1474 m,庫(kù)容約為2100萬(wàn)m3,灌溉面積1.35萬(wàn)hm2. 瀝青混凝土心墻壩部位主要包括壩殼料區(qū)、瀝青心墻區(qū)、過(guò)渡料區(qū)和上游圍堰區(qū)等,心墻壩典型橫剖面見(jiàn)圖1. 依據(jù)心墻壩進(jìn)行分區(qū),建立了三維有限元模型,進(jìn)行剖分網(wǎng)格,得到三維有限元模型[22],如圖2所示.
圖1 橫剖面圖Fig.1 Cross section diagram
針對(duì)澆筑式瀝青心墻壩及覆蓋層的特點(diǎn),設(shè)計(jì)計(jì)算方案為逐級(jí)增加覆蓋層厚度,每級(jí)增加20 m,覆蓋層厚度從0 m增加到100 m. 根據(jù)計(jì)算方案,進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算,分析基礎(chǔ)覆蓋層厚度對(duì)心墻壩動(dòng)力計(jì)算結(jié)果的影響. 靜力計(jì)算模型采用鄧肯-張模型,相應(yīng)模型參數(shù)見(jiàn)表1;動(dòng)力計(jì)算模型采用等效線性模型,模型參數(shù)見(jiàn)表2;防滲墻及心墻基座的材料彈性模量E=0.8 GPa,μ=0.167.
圖2 三維有限元網(wǎng)格Fig.2 3D finite element mesh
表1 靜力計(jì)算模型參數(shù)Tab.1 Static calculation model parameters
表2 動(dòng)力計(jì)算模型參數(shù)Tab.2 Dynamic calculation model parameters
根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算,得到不同覆蓋層厚度下心墻壩的計(jì)算結(jié)果,研究基礎(chǔ)覆蓋層厚度對(duì)大壩頂部豎向、壩軸向及順河向的最大絕對(duì)加速度的影響,具體見(jiàn)圖3.
根據(jù)圖3可知,隨著覆蓋層厚度的增加,壩頂順河向最大絕對(duì)加速度均表現(xiàn)為減小趨勢(shì);在覆蓋層厚度為20 m時(shí),壩頂順河向絕對(duì)加速度為5.82 m/s2;當(dāng)覆蓋層增加到60 m和100 m,壩頂絕對(duì)加速度分別減小到5.14 m/s2和4.83 m/s2,且減小的幅度逐漸變??;豎向和壩軸向壩頂絕對(duì)加速度隨覆蓋層的變化規(guī)律與順河向相同. 這是因?yàn)楫?dāng)覆蓋層的厚度增加,壩體的阻尼作用增強(qiáng),相應(yīng)加速度減小. 當(dāng)覆蓋層增加時(shí),豎向、壩軸向及順河向的加速度放大倍數(shù)整體均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),豎向比順河向及壩軸向的加速度放大倍數(shù)明顯較大.
在地震時(shí),壩體產(chǎn)生的動(dòng)位移過(guò)大,整體大壩的穩(wěn)定性就會(huì)有較大的影響. 依據(jù)計(jì)算結(jié)果,研究覆蓋層厚度對(duì)心墻壩最大位移的影響,具體見(jiàn)圖4.
圖4 覆蓋層厚度對(duì)心墻壩最大位移的影響Fig.4 Influence of overburden layer thickness on the maximum displacement of core wall dam
由圖4可得,隨覆蓋層厚度的增加,壩體的豎向、壩軸向和順河向的最大動(dòng)位移均呈逐漸增大趨勢(shì). 在覆蓋層厚度為20 m時(shí),壩體順河向最大位移為6.48 cm;當(dāng)覆蓋層增加到60 m和100 m,壩體順河向最大位移分別增大到9.65 cm和15.54 cm. 覆蓋層相同情況下,壩軸向和豎向相對(duì)于順河向的最大動(dòng)位移明顯較小.心墻豎向、壩軸向和順河向的最大動(dòng)位移也是隨覆蓋層的增加而增大,當(dāng)覆蓋層增加到100 m,心墻順河向最大位移增大到14.94 cm. 覆蓋層比基巖的剛度小很多,在地震荷載下,大壩基礎(chǔ)的動(dòng)位移將隨覆蓋層厚度的增加而增大,因此壩體和瀝青混凝土心墻的動(dòng)位移也將增大.
覆蓋層厚度對(duì)瀝青混凝土心墻有較大的影響,依據(jù)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果,研究覆蓋層厚度對(duì)澆筑式瀝青混凝土心墻主應(yīng)力的影響規(guī)律,具體見(jiàn)圖5.
圖5 覆蓋層厚度對(duì)瀝青心墻主應(yīng)力的影響Fig.5 Influence of overburden layer thickness on the main stress of asphalt core wall
圖5是指在不同厚度的覆蓋層下,澆筑式瀝青混凝土心墻中軸線上主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力變化規(guī)律. 針對(duì)不同厚度覆蓋層的心墻壩進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算結(jié)果表明,增加覆蓋層厚度對(duì)瀝青心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力的影響較小,影響結(jié)果不明顯;澆筑式瀝青混凝土心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力變化范圍很小. 在確定覆蓋層厚度情況下,隨著瀝青心墻高度的增加,心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力逐漸減小.
1)隨著覆蓋層厚度的增加,壩頂順河向最大絕對(duì)加速度均表現(xiàn)為減小趨勢(shì);在覆蓋層厚度為20 m時(shí),壩頂順河向絕對(duì)加速度為5.82 m/s2;當(dāng)覆蓋層增加到60 m 和100 m,壩頂絕對(duì)加速度分別減小到5.14 m/s2和4.83 m/s2;豎向和壩軸向壩頂絕對(duì)加速度隨覆蓋層的變化規(guī)律與順河向相同.
2)隨覆蓋層厚度的增加,壩體的豎向、壩軸向和順河向的最大動(dòng)位移均呈逐漸增大趨勢(shì);在覆蓋層厚度為20 m時(shí),壩體順河向最大位移為6.48 cm;當(dāng)覆蓋層增加到60 m和100 m,壩體順河向最大位移分別增大到9.65 cm和15.54 cm;覆蓋層相同情況下,壩軸向和豎向相對(duì)于順河向的最大動(dòng)位移明顯較小. 心墻豎向、壩軸向和順河向的最大動(dòng)位移也是隨覆蓋層的增加而增大,當(dāng)覆蓋層增加到100 m,心墻順河向最大位移增大到14.94 cm.
3)增加覆蓋層厚度對(duì)瀝青心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力的影響較小,影響結(jié)果不明顯;澆筑式瀝青混凝土心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力變化范圍很小. 在確定覆蓋層厚度情況下,隨著瀝青心墻高度的增加,心墻的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力逐漸減小.