尹曉明

(黑龍江省正潤(rùn)水利水電工程有限公司,哈爾濱 150000)

1 緒 論

混凝土面板堆石壩特點(diǎn)突出,在我國(guó)水利工程中應(yīng)用廣泛,其主要具有堆石分層碾壓、混凝土薄層面板、多層止水等。和心墻壩對(duì)比,面板壩具有底寬小、坡降大、施工便利、壩體填筑量低,縮短輸水、泄水建筑物尺寸,樞紐建筑銜接緊密。同時(shí)面板壩的抗滑性特點(diǎn)突出,從結(jié)構(gòu)分析,堆石體基本位于面板下方,堆石體整體自重、面板上部靜水壓力反作用于水平推力。因堆石體為振動(dòng)碾碾壓成型,孔隙率小,滲透穩(wěn)定性突出,從而通過(guò)這種摩阻力保持壩體的穩(wěn)定性。堆石的排水功能降低空隙水壓力,所以面板壩的抗震性效果較優(yōu)。

2 土石壩非線(xiàn)性有限元方法

堆石壩的材料非線(xiàn)性包含材料和幾何非線(xiàn)性,一般應(yīng)用時(shí)定義為材料非線(xiàn)性,則結(jié)構(gòu)體單元的平衡條件表達(dá)式為:

{ε}=[B]{δ}e

(1)

(2)

式中:{σ}為應(yīng)力列向量;{ε}為應(yīng)變向量;{F}e為節(jié)點(diǎn)力列向量;{δ}e為位移向量;[B]為應(yīng)變矩陣。

線(xiàn)彈性體的單元應(yīng)變關(guān)系符合廣義虎克定律:

{σ}=[D]{ε}=[D][B]{δ}e

(3)

材料非線(xiàn)形的應(yīng)變關(guān)系可簡(jiǎn)化為:

f({σ},{ε})=0

(4)

材料的非線(xiàn)形關(guān)系勁度矩陣[K]可隨應(yīng)力而變,其平衡方程組為:

[K({δ})]{δ}=[R]

(5)

若給土體施以應(yīng)力增量{△σ},可以通過(guò)該應(yīng)力狀態(tài){σ}下的彈性常數(shù)形成[D],進(jìn)而求得應(yīng)變?cè)隽縶△ε}。 在實(shí)際應(yīng)用中通常選用中點(diǎn)增量法,每施加的一級(jí)荷載增量,計(jì)算求出位移、應(yīng)力應(yīng)變的增量變化,最終疊加后得出總荷載的單元總應(yīng)變和位移。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某混凝土面板堆石壩位于湖北省境內(nèi),壩址流域面積352.7km2,多年平均流量為13.6m3/s。大壩正常蓄水位653.4m,總庫(kù)容1.08億m3,壩高117.2m,壩頂長(zhǎng)273.4m,上游壩坡比為1∶1.4,下游為1∶1.2,堆石壩材料分區(qū)為水平鋪蓋、混凝土面板、墊層、過(guò)渡層、堆石區(qū)。

3.2 計(jì)算參數(shù)

壩體堆石料的Duncan E-B模型物理參數(shù)具體見(jiàn)表1。

表1 堆石體材料參數(shù)表

3.3 計(jì)算模型

沿壩軸線(xiàn)將壩體分為21個(gè)橫剖面,壩體采用SOLID95等參單元,共劃分單元7003個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)57156個(gè)。壩體三維有限元網(wǎng)格剖分如圖1所示。堆石壩面板共分為23塊,其中f1和 f23寬度為6m,其余寬度均為12m,面板網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 壩體三維有限元網(wǎng)格剖分圖

(a)水平位移

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1 壩體

蓄水期水壓力通過(guò)面板直接作用于壩體,選取大壩典型剖面0+095,其應(yīng)力變形結(jié)果見(jiàn)圖2。

3.4.2 面板

蓄水期的面板受力包括自重和上游的靜水壓力,由計(jì)算結(jié)果可知,面板水平位移向左移動(dòng)且變幅增大,最大水平位移6.05cm,出現(xiàn)在第三、四塊面板頂部;沉降變化基本沒(méi)有規(guī)律性,沉降量偏小,面板最大沉降為39.7cm,在面板f6中下部位,轉(zhuǎn)換成撓度為29.3cm,根據(jù)規(guī)范要求表明面板f6已產(chǎn)生裂縫。面板f10到f15處均出現(xiàn)較大的沉降量,需加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)。面板的軸向應(yīng)力個(gè)別部位交錯(cuò)出現(xiàn)拉、壓應(yīng)力,特別是左岸壩坡附近,拉應(yīng)力區(qū)范圍較大,最大拉應(yīng)力為3MPa,中部面板最大壓應(yīng)力在f9中部位置,最大值6.5 MPa。順坡向壓應(yīng)力分布無(wú)規(guī)律性,最大值為7.5 MPa,出現(xiàn)在f8和f9的中下部[1]。

由圖2可知,蓄水期大壩最大沉降59.3cm,出現(xiàn)于上游的1/2壩高處;上游面最大水平位移2.64cm,在近左岸壩基位置;下游面最大水平位移36.3cm,在上游左岸的壩中部;最大小主應(yīng)力1.04MPa,在上游面的壩基位置處;最大主應(yīng)力為3.28MPa,在左岸的壩基附近。

表2和表3分別匯總L15、L7兩條垂直縫的三相變位值,裂縫張開(kāi)為正,錯(cuò)位以右低左高為正,沉降沿面板外法向?yàn)檎?/p>

表2 L15垂直縫三向變位

由表2中可見(jiàn),垂直縫L7在頂、底部?jī)蓚?cè)出現(xiàn)張開(kāi)變形,最大張開(kāi)量10.17cm,在中部大都呈關(guān)閉狀態(tài),變化規(guī)律和面板軸線(xiàn)方向的應(yīng)力變化基本一致。錯(cuò)位變化量較小,平均錯(cuò)位14mm,最大錯(cuò)位出現(xiàn)在該縫中部以下。垂直縫沉陷平均值-23.3cm,最大為35.5cm,位置在縫的中部偏下處[2]。

由表3可知,垂直縫L15擠壓作用明顯,中下部作用大于上部,變化關(guān)系和面板的軸向應(yīng)變規(guī)律基本相同。下部錯(cuò)位變形量平均為14mm,最大變形量位于面板底部,為19mm。對(duì)比可知L7要比L15的豎向變形大,平均保持在20cm,最大豎向變形量為26.4cm,出現(xiàn)在面板的中下位置處,周邊縫最大張開(kāi)量11.5mm,在壩體右岸的壩坡位置,最大錯(cuò)位變形22.6mm,位于垂直縫L13底部。

4 結(jié) 論

文章基于土石壩非線(xiàn)性有限元分析原理,結(jié)合實(shí)際工程,有限元計(jì)算大壩和面板蓄水期的應(yīng)力變形,結(jié)合面板施工縫的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),得出大壩總體安全穩(wěn)定性結(jié)論,綜合認(rèn)為堆石壩應(yīng)力應(yīng)變符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),面板軸向變形不對(duì)稱(chēng),受變位影響右岸出現(xiàn)一定范圍的垂直縫和周邊縫裂縫,應(yīng)適當(dāng)采取工程措施穩(wěn)定面板形變。