熊,何蘊(yùn)龍,劉俊林

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430010;2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610065;3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430072)

Hardfill壩是一種新壩型,其基本剖面為上下游壩坡對(duì)稱的梯形,上游壩面設(shè)置面板或其他防滲設(shè)施,筑壩材料為價(jià)格低廉的低強(qiáng)度膠結(jié)砂石料.Hardfill壩的倡導(dǎo)者認(rèn)為這種壩型具有高安全性、高抗震性和對(duì)地基條件要求低的優(yōu)點(diǎn),而且施工簡(jiǎn)便、快速,造價(jià)低廉,對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響小[1].20世紀(jì)90年代在希臘、多米尼加和法國(guó)等地建成了世界上首批Hardfill壩[2],土耳其的Cindere壩[2]和Oyuk壩[3]2座Hardfill壩壩高分別達(dá)到了100m與107m.日本壩工界對(duì)Hardfill筑壩技術(shù)表現(xiàn)出了極大的熱情,投入大量人力物力,根據(jù)日本的碾壓混凝土技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)了具有其自身特點(diǎn)的Hardfill筑壩技術(shù),并冠之以一個(gè)新名稱:Cemented Sand&Gravel,簡(jiǎn)稱CSG,所建造的大壩稱為CSG壩[4].國(guó)內(nèi)先后在貴州省道塘水庫(kù)上游圍堰[5]、福建街面水電站下游圍堰和洪口大壩上游圍堰采用了CSG方案[6-7],效果良好.

在國(guó)內(nèi)對(duì)Hardfill筑壩技術(shù)的理論研究中,科研人員陸續(xù)對(duì)Hardfill壩的結(jié)構(gòu)特性、安全性以及斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行了試驗(yàn)與計(jì)算分析[8-10],但目前對(duì)其破壞模式研究尚少.本文根據(jù)Hardfill壩的設(shè)計(jì)理念,研究適合Hardfill壩的整體穩(wěn)定安全度考察方法,基于彈塑性有限元方法對(duì)典型Hardfill壩進(jìn)行計(jì)算分析,探討破壞過(guò)程與破壞機(jī)理,并與相同高度的重力壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,最后就Hardfill壩的材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)特征對(duì)大壩整體穩(wěn)定安全度的影響進(jìn)行了敏感性分析.

1 基于彈塑性有限元方法的大壩整體穩(wěn)定安全度分析

1.1 整體穩(wěn)定安全度分析方法

目前基于彈塑性有限元方法探討大壩破壞過(guò)程與破壞機(jī)理的數(shù)值分析中,大壩整體安全度的考察方法主要有水容重超載法、水位超載法、強(qiáng)度儲(chǔ)備法、滑動(dòng)面的點(diǎn)安全系數(shù)法與應(yīng)力代數(shù)和法等.這些方法不僅所得的大壩整體安全度不同,且破壞形式和機(jī)理亦會(huì)有較大差異.將超載與強(qiáng)度儲(chǔ)備相結(jié)合的綜合法能較全面地反映實(shí)際問(wèn)題,對(duì)Hardfill壩而言,其設(shè)計(jì)理念是盡可能運(yùn)用當(dāng)?shù)匾椎玫纳暗[石材料或開(kāi)挖棄料加入少量膠凝材料后作為筑壩材料,壩體材料性能具有明顯的不均勻性與不確定性,比較適合采用以強(qiáng)度儲(chǔ)備為主的綜合法來(lái)考察大壩的整體穩(wěn)定性.在對(duì)水荷載的超載計(jì)算中,除了考慮實(shí)際工程中確實(shí)可能出現(xiàn)的超載倍數(shù)外,由于水荷載是大壩抵御的主要工作荷載,給其以足夠的安全儲(chǔ)備也是十分必要的,所以在考慮強(qiáng)度儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上可再適當(dāng)進(jìn)行更大倍數(shù)的水荷載水位超載,以反映壩體抵御水荷載的富裕度.但大壩材料強(qiáng)度的變化幅度有限,且材料的f值(內(nèi)摩擦角)降到殘余值后,再很難下降,因此不能將材料強(qiáng)度無(wú)限度地降低.

本文采用綜合法考察大壩整體穩(wěn)定安全度的具體計(jì)算程序?yàn)?首先進(jìn)行現(xiàn)實(shí)中可能出現(xiàn)的1.2倍水荷載的水位超載,之后對(duì)壩體材料進(jìn)行強(qiáng)度折減直至強(qiáng)度參數(shù)可能的最低值,此時(shí)考察大壩的破壞情況.若大壩整體并未失穩(wěn),再進(jìn)一步提高水位以進(jìn)行水荷載的超載,直至大壩結(jié)構(gòu)破壞.本文在進(jìn)行強(qiáng)度折減的過(guò)程中,由于目前對(duì)于Hardfill壩材料的試驗(yàn)比較有限,仍采用對(duì)c,φ等比例降低的方法,且強(qiáng)度參數(shù)最多降低至原來(lái)的1/2.在考察大壩整體安全度時(shí)以計(jì)算的收斂性、大壩變形的突變性和屈服區(qū)的貫通性等作為整體失穩(wěn)判據(jù).大壩最終的整體安全系數(shù)k為

式中:k1——水位超載安全系數(shù);k2——強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù);H0,HF——設(shè)計(jì)水位與超載后的水位;R0,RF——壩體材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度與降低后的強(qiáng)度.

1.2 計(jì)算模型

圖1為Hardfill壩的典型剖面,本文的計(jì)算模型中大壩壩高70m,壩坡的坡比按照Oyuk壩[3]和Cindere壩[2]取為1∶0.7.主要考慮壩體自重、靜水壓力和揚(yáng)壓力等荷載,上游水位66m,下游無(wú)水.其中假定揚(yáng)壓力在排水孔幕處折減為水頭的1/2,揚(yáng)壓力在壩底線性分布.建立二維平面應(yīng)變有限元模型,采用大型有限元軟件ADINA進(jìn)行計(jì)算分析,其中壩基面考慮為抗剪軟弱面,在該位置設(shè)置了薄層單元.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,Hardfill壩材料是一種彈塑性材料,其典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示.本文Hardfill壩材料與壩基采用理想彈塑性本構(gòu)模型,屈服條件為帶拉裂截?cái)嗟腗ohr-Coulomb準(zhǔn)則.綜合Hardfill壩材料試驗(yàn)研究成果[6-7,11-12],本文計(jì)算中壩體材料參數(shù)值按平均水平選取,見(jiàn)表1.

圖1 Hard fill壩典型剖面[8]Fig.1 Typical profile of Hard fill dam[8]

圖2 Hardfill材料典型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線[4]Fig.2 Typical stress-strain curve of Hardfill material[4]

2 典型Hardfill壩整體失穩(wěn)機(jī)理與過(guò)程

2.1 大壩應(yīng)力狀態(tài)特征

圖3為大壩應(yīng)力分布圖,其中正應(yīng)力以拉為正,剪應(yīng)力以向下游為正.在正常荷載作用下,Hardfill壩基本全斷面受壓,僅在壩踵有1個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力值;壩體主壓應(yīng)力分布較為均勻,應(yīng)力水平較低,壩底面中部出現(xiàn)最大壓應(yīng)力值,在壩趾有一定的壓應(yīng)力集中.壩基面的剪應(yīng)力水平較高,同時(shí)從上游至下游壩體的剪應(yīng)力逐漸增大,尤其在壩趾有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,剪應(yīng)力的分布情況與常規(guī)重力壩類似.

表1 典型Hard fill壩整體穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters for integral stability calcu lation of typical Hardfill dam

圖3 典型Hard fill壩應(yīng)力特征(單位:MPa)Fig.3 Stress characteristics of typical Hard fill dam(units:MPa)

2.2 大壩整體失穩(wěn)過(guò)程分析

經(jīng)綜合法計(jì)算,Hardfill壩在各典型階段的破壞情況如圖4所示,其中黑色區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū).正常荷載作用下壩體基本沒(méi)有破壞區(qū)域,只是在壩踵有范圍極小的屈服.圖4(a):水位提高到1.2倍正常水位后,壩踵范圍極小的屈服區(qū)有很小的擴(kuò)展,大壩仍保持正常工作狀態(tài).圖4(b)至圖4(c):此時(shí)進(jìn)行降低強(qiáng)度分析,隨著折減系數(shù)的增大,壩踵的屈服區(qū)沿壩基面向下游很緩慢地?cái)U(kuò)展,而壩趾處的屈服區(qū)一方面沿壩基面向上游較快地延伸,另一方面沿高程方向向上逐漸發(fā)展.圖4(d):當(dāng)強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)大約為2時(shí),屈服區(qū)在沿壩基面的中上游位置貫通,導(dǎo)致大壩發(fā)生沿壩基面的整體失穩(wěn).

圖4 典型Hard fill壩整體破壞過(guò)程Fig.4 Failure process of typical Hardfill dam

由此可見(jiàn),在本文計(jì)算模型條件下,典型的Hardfill壩主要發(fā)生了沿壩基面的整體失穩(wěn)破壞,其破壞主要是剪切屈服區(qū)從壩趾開(kāi)始,沿壩基面向上游擴(kuò)展的結(jié)果.壩踵盡管有拉裂區(qū),但并不會(huì)導(dǎo)致壩體的失穩(wěn)破壞,而壩趾的剪切破壞比較嚴(yán)重.

2.3 整體安全度分析

定義壩基面屈服率為已剪切屈服長(zhǎng)度與壩基面總長(zhǎng)度之比,則壩基面屈服率與整體安全系數(shù)的關(guān)系曲線如圖5所示.由圖5可知,隨著整體安全系數(shù)不斷增大,壩基面屈服率逐漸增大,并且其變化速率也逐漸增大.按屈服區(qū)貫通定義整體安全系數(shù),則當(dāng)k1=1.40,k2=1.92時(shí)壩基面屈服區(qū)貫通,此時(shí)k=2.69.

圖5 壩基面屈服率與k的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of yield ratio of dam base and safety factor

3 與相同高度重力壩整體穩(wěn)定性的比較

建立與本文Hardfill壩具有相同壩高、且位于相同地基條件上的典型重力壩模型,對(duì)比梯形結(jié)構(gòu)Hardfill壩與三角形結(jié)構(gòu)重力壩的結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn).其中重力壩下游壩坡坡比為1∶0.8,計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2.為盡量保證在相同條件下比較2種大壩體型的破壞過(guò)程與機(jī)理,重力壩壩基面的抗剪強(qiáng)度取值也與Hardfill壩相同.

同樣采用綜合法計(jì)算.圖6為相同計(jì)算條件下基本剖面為三角形的重力壩結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程,其中黑色區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū).在正常荷載條件下,重力壩在壩踵與壩趾出現(xiàn)屈服區(qū),隨著水位的超載與材料強(qiáng)度的降低,壩踵由于開(kāi)裂導(dǎo)致拉應(yīng)力釋放,而壩趾的剪切屈服區(qū)則沿壩基面向上游擴(kuò)展,直至整個(gè)壩基面屈服區(qū)貫通.該大壩的整體破壞模式與Hardfill壩類似,但壩趾屈服區(qū)的擴(kuò)展較Hardfill壩迅速,大壩失穩(wěn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的k=1.96,明顯小于基本剖面為梯形的Hardfill壩的整體安全系數(shù).

表2 典型重力壩整體穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)Table 2 Parameters for integral stability calculation of typical gravity dam

4 敏感性分析

4.1 材料參數(shù)變化時(shí)Hardfill壩整體穩(wěn)定性規(guī)律

4.1.1 彈性模量敏感性分析

對(duì)Hardfill壩材料與地基不同的彈性模量比進(jìn)行了計(jì)算分析,所得Hardfill壩整體安全系數(shù)見(jiàn)表3.由計(jì)算結(jié)果可知,壩體與地基材料的彈性模量比對(duì)大壩整體安全系數(shù)影響較小,大壩最終的破壞模式基本都是沿壩基面整體失穩(wěn).但當(dāng)壩體彈性模量較大時(shí),壩趾更容易發(fā)生剪切屈服,這一現(xiàn)象與彈性模量比對(duì)重力壩失穩(wěn)破壞的影響規(guī)律[13]一致.但由于Hardfill壩剖面較大,壩體應(yīng)力比重力壩均勻,因此彈性模量比在一定范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)大壩整體安全系數(shù)的影響較小.

4.1.2 抗剪強(qiáng)度敏感性分析

在Hardfill壩材料抗剪強(qiáng)度可能的范圍中擬定5組參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,Hardfill壩整體安全系數(shù)見(jiàn)表4.材料抗剪強(qiáng)度對(duì)整體安全系數(shù)有較大影響,抗剪強(qiáng)度的增加使大壩安全度提高,并且抗剪強(qiáng)度對(duì)大壩最終的破壞模式也有一定的影響.當(dāng)壩體抗剪強(qiáng)度較高時(shí),壩體只沿壩基面出現(xiàn)屈服區(qū),而當(dāng)壩體抗剪強(qiáng)度較低時(shí),壩趾屈服區(qū)迅速向上游和壩頂發(fā)展,最終在壩體的中部發(fā)生屈服區(qū)貫通,大壩中上部沿傾向下游的滑動(dòng)面失穩(wěn)破壞.

圖6 相同壩高的重力壩整體破壞過(guò)程Fig.6 Failure process of gravity dams with same heights

表3 彈性模量敏感性分析Table 3 Sensitivity analysis of elastic modulus

表4 材料抗剪強(qiáng)度敏感性分析Table 4 Sensitivity analysis of material shear strength

4.2 結(jié)構(gòu)特征變化時(shí)Hardfill壩整體穩(wěn)定性規(guī)律

4.2.1 壩坡坡比敏感性分析

在Hardfill壩壩坡可能的坡比范圍中擬定了5組參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析,大壩整體安全系數(shù)見(jiàn)表5.Hardfill壩壩坡的坡比對(duì)整體安全系數(shù)有一定影響,較緩的壩坡使大壩擁有較大的安全度.大壩最終的破壞模式基本都是屈服區(qū)自壩趾開(kāi)始發(fā)展而大壩沿壩基面整體失穩(wěn),但最終的壩體屈服區(qū)分布略有不同:當(dāng)壩坡較陡時(shí),壩趾區(qū)域的壓應(yīng)力與剪應(yīng)力的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為顯著,使得除壩基面的屈服區(qū)外在壩趾附近也有較大區(qū)域的壓剪破壞;當(dāng)壩坡較緩時(shí),大壩主要表現(xiàn)為沿壩基面出現(xiàn)剪切屈服區(qū).

4.2.2 壩高敏感性分析

對(duì)壩高擬定了3組值,僅改變壩高進(jìn)行同比例縮放,水位高程同比例變化.大壩整體安全系數(shù)列于表6.圖7為壩基面屈服率隨整體安全系數(shù)的變化曲線.Hardfill壩壩高的變化對(duì)整體安全系數(shù)有一定影響,大壩最終的破壞模式都是沿壩基面整體失穩(wěn),并在壩趾處出現(xiàn)屈服區(qū).當(dāng)壩高較小時(shí),壩基面的屈服區(qū)擴(kuò)展緩慢,整體安全系數(shù)明顯增大;而當(dāng)壩高較大時(shí),整體安全系數(shù)較小,壩基面屈服區(qū)也發(fā)展迅速.這是由于當(dāng)壩高較小時(shí),黏聚力在抗剪強(qiáng)度中所占比例較大,使得大壩不易發(fā)生剪切屈服,同時(shí)壩踵也不易發(fā)生拉裂或拉剪屈服,抗滑穩(wěn)定安全度也越高.文獻(xiàn)[13]在分析壩高對(duì)重力壩失穩(wěn)破壞的影響時(shí),也得到了類似的結(jié)論.

表5 Hardfill壩壩坡坡比敏感性分析Table 5 Sensitivity analysis of slope ratio of Hard fill dam

表6 Hardfill壩壩高敏感性分析Table 6 Sensitivity analysis of Hardfill dam heights

圖7 壩高變化時(shí)壩基面屈服率與k關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves of yield ratio of dam base and safety factor with different dam heights

5 結(jié) 語(yǔ)

a.本文采用以強(qiáng)度儲(chǔ)備為主的綜合法考察大壩整體安全度,Hardfill壩一般沿壩基面整體失穩(wěn)破壞,破壞模式主要為剪切屈服區(qū)自壩趾開(kāi)始,沿壩基面向上游擴(kuò)展,從而導(dǎo)致大壩失穩(wěn).同時(shí),在壩趾及下游壩坡附近也有一定的破壞區(qū)域.其整體安全度與相同條件下的典型重力壩結(jié)構(gòu)相比有明顯的提高.

b.壩體及壩基彈性模量比對(duì)Hardfill壩的破壞模式及整體安全度影響較小,壩體抗剪強(qiáng)度對(duì)其則有顯著的影響.當(dāng)壩體彈性模量較大時(shí),壩趾更容易發(fā)生剪切屈服.壩體抗剪強(qiáng)度的增加使大壩安全度提高,此外,當(dāng)壩體抗剪強(qiáng)度較高時(shí),大壩的破壞模式為沿壩基面的滑動(dòng)失穩(wěn)破壞;而當(dāng)壩體抗剪強(qiáng)度較低時(shí),大壩的破壞模式為壩體中上部沿傾向下游的滑動(dòng)面失穩(wěn)破壞.

c.壩坡坡比和壩高對(duì)Hardfill壩的破壞模式影響較小,對(duì)大壩的整體安全度有一定影響.當(dāng)壩坡較緩、壩高較低時(shí),大壩的安全度較高.

d.大壩的壩趾區(qū)域是Hardfill壩安全的薄弱部位,在各種情況下大壩的破壞均從壩趾開(kāi)始,因此在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)適當(dāng)加大該位置的水泥含量以提高其強(qiáng)度.

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