郭 寧

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

基于軟巖料填筑的面板堆石壩動(dòng)力有限元分析

郭 寧

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

混凝土面板堆石壩由于其優(yōu)越的安全性、經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性在大壩建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。軟巖料等新型材料的利用也越來(lái)越多，文章采用有限元數(shù)值分析方法，對(duì)軟巖料填筑混凝土面板堆石壩進(jìn)行三維動(dòng)力有限元分析計(jì)算，對(duì)在地震作用下的應(yīng)力變形特性進(jìn)行研究分析，所獲得的分析計(jì)算成果對(duì)類(lèi)似工程具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

面板堆石壩；三維動(dòng)力；有限元法；軟巖料；分析

0 引 言

近年來(lái)，隨著對(duì)面板壩變形特性和工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，筑壩材料可以采用相對(duì)軟弱的巖石，促使軟巖材料的范圍不斷擴(kuò)寬。在面板壩工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于開(kāi)挖料的利用率一直是重點(diǎn)研究對(duì)象，可以減少工程造價(jià)和縮短施工工期等。國(guó)內(nèi)外基于軟巖料填筑的面板堆石壩眾多，研究技術(shù)也較為成熟。在我國(guó)，多座面板堆石壩已成功運(yùn)用軟巖料進(jìn)行填筑，而各個(gè)工程采用填筑材料均不相同。但大部分具備了充分利用壩址區(qū)地址和地質(zhì)條件，因地制宜，就近選取軟巖料作為筑壩材料，因材設(shè)計(jì)。這也符合當(dāng)今土石壩設(shè)計(jì)的基本原則。軟巖料使用范圍廣泛，在大壩主體，中間部位或下游干燥區(qū)均可設(shè)計(jì)施工。并且軟巖料具有分布廣，開(kāi)采成本低，有利降低工程費(fèi)用，節(jié)省工期。所以軟巖料的利用已成為面板壩新型壩工設(shè)計(jì)的一種新趨勢(shì)[1]。

1 面板堆石壩動(dòng)力分析概述

1.1 基本模型試驗(yàn)方法

振動(dòng)模型試驗(yàn)主要進(jìn)行面板堆石壩的動(dòng)力特性研究。雖然鑒于模型尺寸和原型之間的差距較大，二者之間應(yīng)力變化規(guī)律還不能等同。在破壞形態(tài)上經(jīng)過(guò)多年研究發(fā)現(xiàn)和地震中監(jiān)測(cè)得的數(shù)據(jù)基本類(lèi)似，同時(shí)可得出一些驗(yàn)證規(guī)律。如面板能有效抵抗地震作用，破壞形式是從上至下，主要誘因?yàn)槊姘屙敳坷瓚?yīng)力聚集區(qū)。不足之處在于極度缺乏強(qiáng)地震區(qū)大壩在實(shí)際震害下的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料和所以模型試驗(yàn)方法和技術(shù)需要進(jìn)一步完善。

1.2 有限元法

有限元法基本原則是對(duì)于大壩的不同填筑區(qū)定義不同的力學(xué)參數(shù)。有限元法是將大壩構(gòu)建的有限元模型，通過(guò)動(dòng)力反應(yīng)分析程序并求解壩體內(nèi)加速度反應(yīng)。地震荷載下，土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為非線性的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系，極易形成應(yīng)力變形滯回環(huán)。而這些滯回環(huán)目前國(guó)內(nèi)一般運(yùn)用線性黏彈性模型、等效線性模型等來(lái)擬合[2]。

國(guó)內(nèi)目前面板堆石壩的抗震設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸趨于成熟，通過(guò)實(shí)際工程效果的論證已取得一定的進(jìn)展。但混凝土面板堆石壩地震動(dòng)力分析中各種接觸面定義、參數(shù)定義還需進(jìn)一步深入研究。

2 軟巖料填筑的面板堆石壩動(dòng)力有限元分析

2.1 軟巖料的動(dòng)力本構(gòu)模型

非線性黏彈塑性模型[3]由初始加荷曲線、骨干曲線和滯回圈三大部分組成。其中初始加荷曲線由式確定：

τ=γ/(1/Gmax+γ/τmax)

(1)

骨干曲線表達(dá)式為：

γh=(?)Atanφ′(σ′/pa)2/3
[1-(1-DRSd/tanφ′)2/3]

(2)

滯回圈表達(dá)式為：

γh=(?)Atanφ′(σ′/pa)2/3
{2[1+(DRSd-|DRS|)B/DRSd]
×[1-(DRSd(±)DRS)/(2tanφ′)]2/3-
(1-DRSd/tanφ′)2/3-1}

(3)

加、卸荷時(shí)(+)、(-)選取原則剛好相反。模型中的骨干曲線和滯回圈幾何原點(diǎn)的位移變動(dòng)產(chǎn)生殘余變形，表達(dá)式為：

γ=γ0+γh

(4)

式中：τmax=τf/Rf,τf為破壞剪應(yīng)力；Rf為破壞比；γ0為骨干曲線對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變；γh為基于零點(diǎn)γ0的剪應(yīng)變；DRSd為動(dòng)剪應(yīng)力比幅；DRS為動(dòng)剪應(yīng)力比，DRS=RS-RS0，RS=τ/σ′,RS0為初始剪應(yīng)力比。

2.2 動(dòng)力有限元分析方法

等效線性動(dòng)力分析方法的原理為線性分析方法，逐步迭代后將計(jì)算參數(shù)符合既定的應(yīng)力應(yīng)變的曲線。首先通過(guò)大壩的有限元靜力分析產(chǎn)生單元初始應(yīng)力值，其次進(jìn)行動(dòng)力分析，得到壩體的動(dòng)力反應(yīng)，以給出壩體的反應(yīng)加速度和動(dòng)剪應(yīng)力。動(dòng)力方程的求解方法是在時(shí)域內(nèi)基于多步積分法計(jì)算，這樣對(duì)殘余變形和應(yīng)力路徑均進(jìn)行定義，計(jì)算依據(jù)也較為符合工程實(shí)際，結(jié)果較精確。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某混凝土面板堆石壩主要以灌溉為主，兼具發(fā)電、防洪等綜合效益。工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型。該工程總庫(kù)容10.36億m3，電站裝機(jī)容量68萬(wàn)kW。正常蓄水位為876.5m，死水位816.5m。設(shè)計(jì)基本地震烈度為8度。主要建筑物包括大壩、溢洪道、引水隧洞和電站廠房組成[4]，混凝土面板壩剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1混凝土面板壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

3.2 本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)

堆石料、墊層料和過(guò)渡料的本構(gòu)模型為鄧肯E-B模型，在動(dòng)力分析中采用Hardin-Drbevich雙曲線模型。大壩各材料參數(shù)結(jié)合室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)和類(lèi)似工程數(shù)據(jù)選取得出本模型的物理參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 壩體材料鄧肯E-B模型材料參數(shù)表

表2 堆石料最大動(dòng)剪切模量系數(shù)Km和指數(shù)m1

動(dòng)力分析基本假定：

據(jù)工程設(shè)計(jì)和地震危險(xiǎn)性分析，8級(jí)地震設(shè)防烈度下基準(zhǔn)期50a內(nèi)概率>10%的基巖水平動(dòng)峰值加速度為120cm/s2，基準(zhǔn)期100a內(nèi)概率>2%的水平動(dòng)峰值加速度為260 cm/s2。

動(dòng)反應(yīng)模擬中采用的基巖水平加速度峰值為400cm/s2，過(guò)程中同步輸入水平向和豎向地震在模擬中同步輸入，后者取值為前者的2/3，時(shí)間步長(zhǎng)定義為0.02s。水平向輸入地震加速度時(shí)程曲線如圖2。

圖2 輸入地震加速度時(shí)程曲線

3.3 計(jì)算結(jié)果

為了便于分析地震作用下壩體的反應(yīng)規(guī)律，選定壩體代表節(jié)點(diǎn)和單元的反應(yīng)時(shí)程，文章分析節(jié)點(diǎn)位于壩體下游壩面1/2壩高處。

動(dòng)反應(yīng)模擬中采用的基巖水平加速度峰值為400cm/s2，過(guò)程中同步輸入水平向和豎向地震在模擬中同步輸入，后者取值為前者的2/3，時(shí)間步長(zhǎng)定義為0.02s。水平向輸入地震加速度時(shí)程曲線如圖2。

圖3 節(jié)點(diǎn)加速度反應(yīng)時(shí)程曲線

圖4 最大剖面順河向最大反應(yīng)加速度等值線圖

圖5 最大剖面最大豎向反應(yīng)加速度等值線圖

由圖3-5可知，壩體順河向的加速度隨時(shí)間遞增變化強(qiáng)烈，順河向最大加速度出現(xiàn)在壩頂下游處，最值為8.46m/s2，放大倍數(shù)2.08；壩體最大豎向反應(yīng)發(fā)生于下游面的壩頂位置處，最值為3.82m/s2，放大倍數(shù)1.42，通過(guò)對(duì)比得知，下游面的反應(yīng)劇烈程度明顯大于上游面，水平向加速度反應(yīng)強(qiáng)度明顯大于水平向反應(yīng)程度。

圖6 單元最大動(dòng)剪應(yīng)力時(shí)程曲線

圖7 最大剖面最大動(dòng)剪應(yīng)力等值線圖

由計(jì)算結(jié)果可知，單元最大動(dòng)剪應(yīng)力值為0.52 MPa，壩體最大動(dòng)剪應(yīng)力為 785.3 KPa，出現(xiàn)在壩體2/3壩高處，上、下游應(yīng)力值均為壓應(yīng)力，變化區(qū)間相似，下游面略微大于上游面。在最大峰值加速度作用下，壩體和面板的動(dòng)應(yīng)力值在設(shè)計(jì)上是合理的。

4 結(jié) 論

文章在基于面板堆石壩的新型填筑材料軟巖料的基本特性分析基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元?jiǎng)恿Ψ治龈攀龊头椒?，建立了有限元模型，在單元初始?yīng)力分析基礎(chǔ)上進(jìn)行了該面板壩的動(dòng)力分析，獲得了該壩在地震作用下的地震加速度時(shí)程分析、壩體動(dòng)剪應(yīng)力反應(yīng)分析結(jié)果。在最大峰值加速度作用下，該面板堆石壩壩體在設(shè)計(jì)上是可以接受的，動(dòng)應(yīng)力計(jì)算分析是合理的。

[1]付軍,周小文.面板壩軟巖料的工程特性[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008，25(04)：67-72.

[2]姜樸,湯書(shū)明.面板壩模型動(dòng)力試驗(yàn)與計(jì)算[J].水利學(xué)報(bào),1992(02):53-57.

[3]陳映堅(jiān),顧淦臣.鋼筋混凝土面板堆石壩動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào),1987,9(01):12-22.

[4]中國(guó)水利水電工程總公司.利用軟巖筑面板堆石壩技術(shù)的應(yīng)用研究成果匯編[R].北京：中國(guó)水利水電工程總公司，2001.

ImpetusFiniteElementAnalysisofSlab-facedRockfillDamFilledbySoftRockMaterials

GUO Ning

(eilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Project Limited Company, Harbin 150080, China)

Concrete slab-faced rockfill dams are applied widely in dam construction due to its safety, economy and adaptability. Soft rock materials, the new material, are used more and more, this paper adopts the finite element method to analyze and calculate the 3D impetus finite elements of concrete slab-face rockfill dams filled by soft rock material, and research the stress deformation characters acted by earthquake roles, the results obtained from achievements of analysis and calculation have some guiding value for similar projects.

slab-faced rockfill dam; three dimensional impetus; finite element method; soft rock;analysis

TV421

B

1007-7596(2017)09-0041-03

文章編號(hào)：1007-7596(2017)09-0028-03

2017-08-16

郭寧(1985-)，女，黑龍江伊春人，工程師。