謝乾坤

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430000）

概述

有限元分析方法是進(jìn)行面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析的有效手段,它可以模擬堆石體的非線性特性以及復(fù)雜的地基條件。張亞楠等[1]采用修改后的廣義塑性模型,進(jìn)行了200 m 級砂礫石面板壩的有限元靜、動(dòng)力反應(yīng)分析；鄒德高等[2]以清遠(yuǎn)水利樞紐為例,通過計(jì)算分析提出了對深厚砂卵礫石地基的綜合處理措施；許光遠(yuǎn)等[3]采用動(dòng)力三軸試驗(yàn)對面板堆石壩瀝青混凝土心墻的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究；董景剛等[4]通過數(shù)值模擬試驗(yàn)確定了接觸面模型參數(shù)的合理取值范圍,研究了不同墊層厚度對面板動(dòng)力特性的影響；孫立昌等[5]針對廈門抽水蓄能電站工程混凝土面板堆石壩,進(jìn)行三維非線性靜動(dòng)力有限元分析,研究竣工期和運(yùn)行期壩體的位移、應(yīng)力分布規(guī)律、地震反應(yīng)規(guī)律。

曲河水庫混凝土面板堆石壩軸線全長226.0 m,壩頂高程801.00 m,防浪墻高1.2 m,河床壩基建基高程736.00 m,趾板建基面高程727.00 m,最大壩高74.0 m,壩頂寬度8.0 m。壩頂上游側(cè)設(shè)置0.4 m×1.2 m 的C20 混凝土防浪墻,墻下設(shè)置0.8 m×0.6 m的基座,下游側(cè)設(shè)置1.0 m 高的C20 混凝土欄桿。水庫正常蓄水位797.00 m,設(shè)計(jì)洪水位798.90 m,校核洪水位799.88 m。根據(jù)工程實(shí)際和料場情況,壩體填料包括蓋重區(qū)、鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆區(qū)和特殊墊層區(qū),見圖1。

圖1 混凝土面板堆石壩主要分區(qū)示意

1 面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析

1.1 計(jì)算方法和步驟

計(jì)算采用平面二維有限元法,計(jì)算程序采用河海大學(xué)Autobank 程序。為便于單元網(wǎng)格劃分,下游壩坡作了均坡處理。劃分網(wǎng)格后的計(jì)算模型見圖2。

圖2 計(jì)算模型簡圖

荷載加載步驟如下：

Step1：地基和地基約束；

Step2-12：壩底至壩頂高程分層填筑,共計(jì)11 層；

Step13：正常蓄水位下的水壓力；

Step14：地震水平動(dòng)加速度,0.2g。

1.2 計(jì)算參數(shù)大壩計(jì)算指標(biāo)見表1,另根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料,Kur=2K。

表1 筑壩材料主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

1.3 計(jì)算成果分析

根據(jù)荷載加載步驟,列出了Step12（竣工期）、Step13（蓄水期）、Step14（正常水位遇地震）三種工況下的應(yīng)力和變形成果,計(jì)算成果圖見圖3～圖14。

圖3 竣工期第一主應(yīng)力

圖4 竣工期第三主應(yīng)力

圖5 竣工期水平位移

圖6 竣工期豎向位移

圖7 蓄水期第一主應(yīng)力

圖14 正常水位+地震工況豎向位移

根據(jù)計(jì)算成果圖可知,大壩各工況下的應(yīng)力應(yīng)變成果見表2。

表2 大壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算成果

圖8 蓄水期第三主應(yīng)力

圖9 蓄水期水平位移

圖10 蓄水期豎向位移

圖11 正常水位+地震工況第一主應(yīng)力

圖12 正常水位+地震工況第三主應(yīng)力

圖13 正常水位+地震工況水平位移

壩體的位移、應(yīng)力分布合理。蓄水期最大沉降為36 cm。整個(gè)壩體和壩基應(yīng)力水平均小于1,壩體和壩基無局部失穩(wěn)或剪切破壞現(xiàn)象。

2 大壩抗震措施

根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果,參照國內(nèi)已建高面板堆石壩防震抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在大壩上部15 m（約壩高的）范圍內(nèi),采用加筋、加蓋護(hù)面板及減緩壩坡等措施來保證大壩的抗震安全。具體措施為：

（1） 放緩下游壩坡；根據(jù)《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.1：“當(dāng)筑壩材料為硬巖堆石料時(shí),上、下游壩坡可采用1:1.3～1:1.4”, 本工程所用堆石料為灰?guī)r,按規(guī)范,壩坡可采用1:1.4,考慮抗震因素,下游坡取為1:1.6。

（2） 壩頂以下15 m 范圍內(nèi),每0.8 m 設(shè)一層土工格柵。

3 結(jié)論

本研究采用有限元分析方法,對曲河水庫面板堆石壩開展靜動(dòng)力特征研究,得到了面板堆石壩的應(yīng)力分布規(guī)律和變形特征,并提出了相應(yīng)的抗震處理措施,研究成果對類似工程具有參考價(jià)值。