蔣　　達(dá)，樂(lè)成軍，王　　濤

（1．四川涼山水洛河電力開發(fā)有限公司，四川成都610041；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210009）

非線性接觸深覆蓋層水閘沉降分析

蔣達(dá)1，樂(lè)成軍2，3，王濤3

（1．四川涼山水洛河電力開發(fā)有限公司，四川成都610041；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210009）

我國(guó)西南地區(qū)修建閘壩大多面臨深厚覆蓋層的問(wèn)題，由于深厚覆蓋層具有沉降不均勻、沉降量大的特點(diǎn)，給工程的安全運(yùn)行帶來(lái)很大的隱患。本文以某電站首部樞紐攔河閘為工程背景，利用大型商業(yè)軟件ANSYS對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬與計(jì)算，計(jì)算中考慮基礎(chǔ)與地基的接觸非線性，以對(duì)水閘運(yùn)行期工況的沉降給予分析，結(jié)果表明：覆蓋層的存在對(duì)工程結(jié)構(gòu)的沉降變形有很大的影響，其不均勻性將大大增加了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的危險(xiǎn)，因此有必要對(duì)地基進(jìn)行加固；研究成果直接應(yīng)用于工程實(shí)際，并為類似工程設(shè)計(jì)提供了借鑒。

深厚覆蓋層；接觸非線性；水閘；ANSYS

0　引言

深厚覆蓋層復(fù)雜的不良地基條件給水利水電工程建設(shè)帶來(lái)了一定的困難［1］。由于深厚覆蓋層的不均勻性［2］，工程的各結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)與覆蓋層之間，各層覆蓋層之間均有接觸問(wèn)題的存在。接觸的模擬是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的模擬效果是否符合實(shí)際條件的重要因素。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)接觸問(wèn)題的研究很多，董景剛等［3］對(duì)土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性研究，討論了接觸面的力學(xué)特性；劉軍等［4］考慮了基礎(chǔ)與周圍土體局部脫離所引起的非線性效應(yīng)，對(duì)高層建筑地基的相互作用的非線性特性進(jìn)行了分析。相比來(lái)說(shuō)對(duì)深厚覆蓋層不均勻而引起接觸的問(wèn)題研究很少，本文以建于深厚覆蓋層上的某電站首部樞紐攔河閘壩為工程背景，在建立水閘-深厚覆蓋層的體系的基礎(chǔ)上模擬結(jié)構(gòu)縫的接觸非線性問(wèn)題，開展工程運(yùn)行期工況下基礎(chǔ)沉降量的分析計(jì)算，并用以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)。

1　接觸非線性計(jì)算原理

接觸［4］問(wèn)題屬于強(qiáng)非線性問(wèn)題，有限元模型通過(guò)指定的接觸單元來(lái)識(shí)別所有接觸匹對(duì)，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元。接觸系統(tǒng)基本方程由平衡方程和接觸條件兩部分組成，接觸條件又分為接觸位移條件和接觸力條件［5］。大型商用軟件ANSYS對(duì)土—結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的接觸問(wèn)題模擬的較全面［6］，比如點(diǎn)點(diǎn)接觸，點(diǎn)線接觸，面面接觸，滑動(dòng)摩擦和庫(kù)倫摩擦?？紤]到接觸體之間的剛度差別不大，所以該模型的計(jì)算中采用面面接觸分析，其基本計(jì)算原理如下：

設(shè)有兩彈性體A1和A2，其接觸界面為O，界面上局部坐標(biāo)系為nxy，向量n表示接觸面的法向，由體A2指向體A1，向量x，y為接觸面內(nèi)兩正交的向量。如圖1。

圖1　接觸計(jì)算簡(jiǎn)圖

引入虛位移，由廣義虛功原理得：

式中：u為位移；Sσ為應(yīng)力邊界；σij，εij為應(yīng)力張量和應(yīng)變張量；dσij，dεij分別表示應(yīng)力張量增量、應(yīng)變張量增量；dui表示位移增量；dfi，dti分別表示給定的體力增量、面力增量。

此接觸問(wèn)題要采用增量方法求解，增量方程為：式中：變量前加△表示接觸點(diǎn)位移相對(duì)值；上標(biāo)1，2表示接觸體A1和A2。

2　計(jì)算模型參數(shù)

2.1計(jì)算模型

數(shù)值分析模型整體坐標(biāo)系以閘軸線上中間閘孔的中心為基準(zhǔn)，具體范圍為：x方向指向右岸，基巖范圍在閘壩向右取100 m，向左100 m，總寬約300 m；y方向指向河流下游，基巖范圍從閘軸線向上游取80 m，向下游取220 m，總長(zhǎng)約300 m；z方向以垂直向上為正。模型尺寸約為300 m×300 m× 200 m，這一模型范圍相對(duì)閘壩的大小可以滿足計(jì)算精度的要求。

模型中模擬了閘墩、底板、擋水壩、鋪蓋、護(hù)坦，回填砂卵石，覆蓋層中Ⅲ-2層、Ⅲ-1層、Ⅱ?qū)?、Ⅰ層這4層，基巖采用均質(zhì)的巖體材料。

對(duì)結(jié)構(gòu)縫，均采用面面接觸單元模擬，即接觸單元可承受相互的擠壓和錯(cuò)動(dòng)，但受拉即張開。上部結(jié)構(gòu)間的接觸不設(shè)摩擦，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)覆蓋層之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.40。

對(duì)模型的邊界均采用連桿約束作為邊界條件。即在模型的左右兩端（x方向）基巖采用x向的連桿約束，在模型的上下游兩端（y方向）采用y向的連桿約束，在模型的底端（z方向）采用z向的連桿約束。

模型采用含中節(jié)點(diǎn)的6面體20節(jié)點(diǎn)單元及其退化的4面體10節(jié)點(diǎn)進(jìn)行智能剖分。模型單元網(wǎng)格圖見圖2。

圖2　模型單元網(wǎng)格圖

為便于后面的描述和分析，對(duì)攔河閘壩的壩段進(jìn)行編號(hào)，對(duì)閘室、鋪蓋、護(hù)坦的編號(hào)見圖3。

2.2計(jì)算材料參數(shù)

1）覆蓋層材料參數(shù)。

圖3　閘壩結(jié)構(gòu)閘室、鋪蓋、護(hù)坦編號(hào)圖（俯視）

河床覆蓋層主要由漂（塊）石，卵礫石、碎石、砂（壤）土組成，各層的分布情況如下：I層含漂石卵礫石層，一般厚10～20 m，大多分布于左側(cè)河槽，最大厚度可達(dá)25.56 m；II層含砂壤土碎礫石層，厚度變化大，且分布很不均勻，薄處僅2 m，最厚為17.1 m；III-1層含孤塊石卵礫石層，分布于河床上部右岸，為現(xiàn)代河床沖積層，厚度一般8～14 m，在閘基下右岸處變厚，最厚可達(dá)16.5 m；III-2層塊碎石夾礫卵石層，主要分布河床表部，一般厚4～8 m，最厚處14.65 m，該部分很松散，分布也很不均勻，并且存在架空現(xiàn)象。主要計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　覆蓋層參數(shù)表

2）其他材料參數(shù)，見表2。

表2　材料參數(shù)表

3　計(jì)算成果分析

3.1閘室

閘壩壩段的最大沉降量為11.2 cm，最大沉降量發(fā)生在閘室3號(hào)與4號(hào)的上游端。由于上游水位的作用，閘室間的沉降差相對(duì)竣工期增大。最大的沉降差發(fā)生在5號(hào)壩段與右岸擋水壩之間，最大沉降差相對(duì)竣工期增大到3.2 cm。蓄水以后，由于水頭只作用在閘室底板上游側(cè)，所以順河流向閘室的沉降差增大。運(yùn)行期閘室的沉降量和沉降差見表3。

表3　各閘室鋪蓋護(hù)坦的沉降量與沉降差　cm

3.2鋪蓋

運(yùn)行期，鋪蓋的沉降量比竣工期大，鋪蓋的沉降量為3～10 cm。在水頭作用下3號(hào)和4號(hào)鋪蓋的下游端局部的沉降略大于相鄰的閘室，這主要是因?yàn)椋?）閘室的沉降引起相鄰鋪蓋下游端的沉降；2）鋪蓋整體受到上游水頭的作用，閘室受上游水平推力作用；3）鋪蓋底部的基礎(chǔ)沒有作加固措施，基礎(chǔ)受力變形相對(duì)閘室底部的基礎(chǔ)要大。因此，加固鋪蓋底部靠近閘室一側(cè)的基礎(chǔ)也有利于解決這個(gè)問(wèn)題。鋪蓋的沉降和相鄰鋪蓋間的沉降差見表3。

3.3護(hù)坦

護(hù)坦的沉降，運(yùn)行期與竣工期相當(dāng)，沉降量為2.5～6.0 cm。最大沉降發(fā)生在護(hù)坦2號(hào)與3號(hào)的上游端。護(hù)坦間沉降差很小，最大沉降差約為1 cm。護(hù)坦沿河流向的沉降差不大，最大沉降差約為1.5 cm。護(hù)坦的沉降和相鄰護(hù)坦之間的沉降差見表3。

由于地基的不均勻沉降，閘壩與鋪蓋之間以及閘壩與下游護(hù)坦之間存在著相對(duì)沉降差，閘壩與鋪蓋以及閘壩與下游護(hù)坦之間水平向（x，y向）的相對(duì)位移很小，最大為1.5 cm。

4　結(jié)論

1）由于覆蓋層不均勻性，運(yùn)行期未采用地基加固措施的水閘的沉降量及各部分沉降差相對(duì)較大。閘壩的最大沉降量為11.2 cm，閘室間最大沉降差為3.2 cm，發(fā)生在閘室5號(hào)與右岸基巖之間。鋪蓋間的較大沉降差發(fā)生的鋪蓋1號(hào)和2號(hào)之間，沉降差分別為2.6 cm。護(hù)坦間的最大沉降差為1.4 cm，發(fā)生在護(hù)坦1號(hào)和2號(hào)之間。因此在深厚覆蓋層上建水閘，要充分考慮閘室沉降與閘室間的不均勻沉降問(wèn)題，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿等方式提高厚覆通過(guò)蓋層的變形模量，可有效地控制基礎(chǔ)變形。

2）覆蓋層的物理力學(xué)特性對(duì)閘壩及基礎(chǔ)的變形和上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響很大，因此今后有必要加強(qiáng)對(duì)覆蓋層的物理力學(xué)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究以獲取較為真實(shí)的計(jì)算參數(shù)和地質(zhì)條件，結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)也應(yīng)隨著工程建設(shè)的深入作更深入的研究。

3）大型商業(yè)軟件ANSYS上的面面接觸模擬閘壩上的結(jié)構(gòu)縫，可模擬結(jié)構(gòu)縫兩邊建筑物的滑移、張開、沒有嵌入的工作性態(tài)，并且計(jì)算的結(jié)果是合理的，這為建在復(fù)雜地基上閘壩的不均勻沉降的三維有限元分析提供了一種有效的計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法。

［1］羅守成.對(duì)深厚覆蓋層地質(zhì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)［J］.水力發(fā)電，1995（4）：21一24.

［2］廖明亮，劉仕勇.西藏達(dá)嘎水電站河床覆蓋層壩基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與計(jì)算［J］.水電站設(shè)計(jì)，2000（12）：88一93.

［3］董景剛.土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2011.

［4］劉軍，王丹閔，王鐵光.土—結(jié)構(gòu)相互作用的非線性反應(yīng)［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002（9）：915-918.

［5］李潤(rùn)芳，龔劍霞.接觸問(wèn)題數(shù)值方法及其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1991：l-53.

［6］郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005：272一273.

［7］黃冶，岳麗野，王宗生.基礎(chǔ)沉降計(jì)算方法的探討［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（3）：69一72.

TV66；TV223

A

1002-0624（2016）01-0001-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51209078）

2015-06-05