韓 芳 汪 君

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院,武漢 430065;2.冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430081;3.中國五環(huán)工程有限公司,武漢 430223)

面板堆石壩是以堆石為受力主體、混凝土面板為防滲主體的一種新型的土石壩類型,具有就地取材、適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),成為目前壩工結(jié)構(gòu)中競爭力強(qiáng)、發(fā)展前景好的壩型.我國的面板堆石壩設(shè)計(jì)中,一般取壩體中心部位的區(qū)域(俗稱“死區(qū)”)下游側(cè)的邊界作為主次堆石的分界,但國外的一些工程卻傾向于將次堆石的區(qū)域擴(kuò)大至“死區(qū)的上游側(cè)”以擴(kuò)大次堆石體的范圍,如關(guān)門山面板壩采用俯傾1∶0.6主次分區(qū),龍溪面板壩采用俯傾1∶0.5主次分區(qū),而澳大利亞塔斯馬尼亞面板壩采用仰傾1∶0.2主次分區(qū)[1-2].其次,主次堆石體由于分布差異而造成的不均勻變形將在面板內(nèi)形成較大的拉應(yīng)力,成為引起面板裂縫的重要因素之一[3].目前確定區(qū)分邊界的常規(guī)做法是在滿足水力過渡和變形模量遞減的原則后,參照已有工程經(jīng)驗(yàn)來選定[4-5].由此可見,研究主次堆石體的合理分區(qū)對分析面板的應(yīng)力應(yīng)變是有積極意義的,本文將以實(shí)際工程為例進(jìn)行主次堆石體分界探討.

1 計(jì)算原理及方法

1.1 Duncan-Chang EK模型

鄧肯張EK非線性彈性模型采用切線彈性模量和體積模量兩個(gè)彈性常數(shù)[6],其中:

切線彈性模量

體積模量

回彈模量

應(yīng)力水平

可見,該模型共有8個(gè)參數(shù):K,Kur,Rf,Kb,m, n,c,φ,可由一組三軸試驗(yàn)確定.對堆石材料,常取c= 0并使用如下的非線性強(qiáng)度參數(shù)φ0和Δφ0[7].

1.2 計(jì)算說明

(1)采用ANSYS中的APDL語言進(jìn)行二次開發(fā),設(shè)計(jì)需要的模型單元.使用APDL給每個(gè)單元定義一個(gè)材料號,分級施加荷載,在每個(gè)荷載步結(jié)束時(shí)提取出各單元的σ1和σ3,據(jù)此計(jì)算出下個(gè)荷載步的彈性模量E,再修改各單元材料屬性進(jìn)行下一步計(jì)算.

(2)在混凝土面板和堆石體這兩種變形特性相差較大的材料間設(shè)置接觸單元來模擬兩者之間的力學(xué)性能(CONTA172定義目標(biāo)面,TARGE169定義接觸面).

(3)使用 Duncan-Chang模型進(jìn)行有限元分析時(shí),初始狀態(tài)對計(jì)算有重要影響,然而實(shí)際土體的初始應(yīng)力狀態(tài)是無法精確計(jì)算的,作為近似估計(jì),可以采用土體的自重應(yīng)力.

(4)采用生死單元模擬動(dòng)態(tài)施工過程,采用增量法考慮荷載的逐級施工,計(jì)算出施工各階段的應(yīng)力變形,該方法可反映結(jié)構(gòu)本身隨施工填筑而變化對應(yīng)力變形的影響.

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

蓼葉水庫混凝土面板堆石壩,壩頂高程503.40 m,最大壩高67.4m,壩頂長377.21m.主次堆石料均選用石英長石砂巖和巖屑石英砂巖,飽和抗壓強(qiáng)度35～50MPa.計(jì)算選取最大壩高斷面,采用不同壩體分區(qū)的3個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算,3方案的次堆石體上游分界線的坡度有所不同,方案1為仰傾,坡比1∶0.2,方案2為俯傾,坡比為1∶0.2,方案3為俯傾,坡比為1∶0.6(如圖1所示).

圖1 3個(gè)方案混凝土面板堆石壩基本剖面圖

該面板堆石壩的位移-應(yīng)力計(jì)算采用 Duncan-Chang非線性彈性模型.該模型由常規(guī)三軸試驗(yàn)來確定變化的彈性材料參數(shù),見表1.

表1 Duncan-Chang(E-K)模型材料參數(shù)

建立有限元模型如圖2所示,基礎(chǔ)取1.5倍壩高,基礎(chǔ)上、下游端部距上、下游壩坡腳取1.5倍壩高.采用四節(jié)點(diǎn)等參單元,總節(jié)點(diǎn)數(shù)3 314,總單元數(shù)3234.上、下游端部的邊界施加順河流向位移約束,底部施加鉛垂向位移約束.

圖2 面板堆石壩有限元計(jì)算模型(以方案1為例)

將壩體分為13層以模擬每層填筑或分段加載.在計(jì)算中共分17級加載,其中壩基及覆蓋層作為一級加載.在第1級加載中,只計(jì)入初始應(yīng)力場,不計(jì)入位移.隨后按壩的填筑高程依次第2級至第14級加載.第15級加載為庫水壓力(死水位474m),第16級加載為庫水壓力(水位490m),第17級加載為庫水壓力(正常蓄水水位500m).

2.2 結(jié)果整理

3個(gè)方案在竣工期和正常蓄水期的變形見表2.

表2 面板堆石壩最大變形值 (單位:cm)

2.3 方案對比

(1)位移分析:方案1變形最大,方案3變形最小.3個(gè)方案的最大沉降分別占壩高的0.185%、0.169%、0.154%,均小于壩高的1%,在合理范圍內(nèi);3個(gè)方案竣工期壩體的沉降值,以方案1最大,方案3最小;3個(gè)方案向上游的水平變形的最大值均位于距壩基面上1/3壩高的上游壩坡面上,向上游水平變形最大值分別為14.9cm,14.6cm和14.5cm;3個(gè)方案向下游的水平向變形最大值均在距壩基面上1/3壩高的下游壩坡面上,向下游水平變形最大值分別為16.2cm,15.9cm和15.2cm.

(2)應(yīng)力分析:竣工期和蓄水期3個(gè)方案在上、下游壩坡面、壩頂及下游壩坡腳處的很小局部區(qū)域出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力,不同的方案對這些區(qū)域的拉應(yīng)力影響不同.對上部馬道,3個(gè)方案的拉應(yīng)力峰值較為接近,對下部馬道,方案2在該處的拉應(yīng)力峰值最小,方案1的拉應(yīng)力峰值最大;對上游壩坡面,方案2拉應(yīng)力峰值最小,方案1的拉應(yīng)力峰值最大;對壩頂,方案1拉應(yīng)力峰值最小,對下游壩坡腳,方案3拉應(yīng)力峰值最小,方案2最大.由此可見,對于不同的部位,3方案各有優(yōu)劣.

(3)應(yīng)力水平:應(yīng)力水平反映了土體的抗剪切破壞能力的裕量,3個(gè)方案大壩上的應(yīng)力水平峰值均出現(xiàn)在下游壩坡面的下部,此時(shí)3個(gè)方案的應(yīng)力水平峰值分別為0.55(方案1),0.56(方案2),0.54(方案3).由此可見,壩體上抗剪切強(qiáng)度在正常蓄水期均有較大的富裕,能保證大壩的抗滑穩(wěn)定.

3 結(jié) 論

(1)從變形來看,方案3(俯傾,坡比1∶0.6)最優(yōu),二次變形較小;從應(yīng)力來看,3個(gè)方案的壓應(yīng)力峰值在同一個(gè)數(shù)量級,對于不同的部位,各方案略有優(yōu)劣;從應(yīng)力水平來看,3方案略有差異,皆滿足穩(wěn)定性要求.

(2)綜合分析應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性條件,建議該混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)中,主堆石及下游堆石體的界線設(shè)置成自壩軸線向下游傾斜,其坡度在1∶0.6左右,可保證穩(wěn)定性及應(yīng)力變形條件最佳.該結(jié)論可為類似堆石壩結(jié)構(gòu)提供參考.

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