郝英澤

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司， 哈爾濱 150080)

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基于軟巖料填筑的面板堆石壩應(yīng)力變形分析研究

郝英澤

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司， 哈爾濱 150080)

隨著國(guó)內(nèi)外面板堆石壩筑壩技術(shù)的不斷成熟，在面對(duì)各種復(fù)雜的地質(zhì)條件及筑壩材料的多樣性上的不斷發(fā)展。目前，基于軟巖料的筑壩技術(shù)也不斷在走向成熟，漸已成為更多壩型的選取材料。我國(guó)幅員遼闊，地震帶諸多，使得許多大壩不得不建在強(qiáng)震高發(fā)區(qū)，故基于軟巖料填筑的面板堆石壩的控制設(shè)計(jì)中的抗震版塊顯得極為重要。文章采用三維有限元數(shù)值模擬，結(jié)合面板堆石壩筑壩材料的靜力計(jì)算本構(gòu)模型，在實(shí)際水利樞紐工程的基礎(chǔ)上對(duì)基于軟巖料填筑的面板堆石壩進(jìn)行三維有限元分析，并將所得結(jié)論與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模擬分析的可行性，計(jì)算得出的結(jié)論及成果對(duì)類似工程的控制設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

軟巖料填筑；面板堆石壩；應(yīng)力變形

0 前 言

結(jié)合國(guó)內(nèi)外在建和已建的面板堆石壩的筑壩材料分析，實(shí)際工程因地制宜，筑壩材料選擇范圍較廣。土石壩設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是充分利用壩區(qū)的工程材料，最大程度上的縮短工期和減少運(yùn)距[1]。軟巖料一般分布較廣，便于就地取材。開(kāi)采難度低，這種材料的應(yīng)用對(duì)壩體建設(shè)的作用越來(lái)越重要。為更加提高軟巖料筑壩的技術(shù)水平，進(jìn)一步改進(jìn)施工方法，多家科研院所聯(lián)合國(guó)內(nèi)企業(yè)成立課題進(jìn)行深入研究，現(xiàn)已取得了不錯(cuò)的成果。但工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、壩高增加的難度性筑壩材料的多樣性等方面問(wèn)題，相關(guān)理論研究與試驗(yàn)研究的不斷深入愈發(fā)重要。目前國(guó)內(nèi)外在利用軟巖料筑壩方面，已建的面板堆石壩諸多，工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不斷得到豐富，但一些關(guān)鍵問(wèn)題的認(rèn)識(shí)急需深入研究，且軟巖料的應(yīng)用研究還將進(jìn)一步拓展。

1 軟巖料工程特性分析

《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL228—98)定義母巖的飽和抗壓強(qiáng)度以30MPa作為軟、硬巖的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，具有代表性的巖石有頁(yè)巖、千枚巖等。基于軟巖料進(jìn)行壩體填筑時(shí)，要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，對(duì)此種材料的工程特性進(jìn)行全面了解。軟巖料的工程特性主要為礦物成分、級(jí)配、壓實(shí)性、壓縮性、滲透性、強(qiáng)度等。軟巖料一般礦物顆粒都極細(xì)小，硬度低的特點(diǎn)，在眾多軟巖中力學(xué)性質(zhì)較為靈敏。軟巖料的軟化系數(shù)小，級(jí)配可變性較大，受外界環(huán)境因素影響較大。壓實(shí)性和壓縮性能與土體較為相似，存在最大干密度和最優(yōu)含水率[2]，壓實(shí)密度高，力學(xué)特性穩(wěn)定。軟巖堆石料能達(dá)到較高的壓縮模量，滿足筑壩的技術(shù)要求。它的滲透性主要受壓實(shí)密度及細(xì)粒含量的影響，其滲透系數(shù)k變化范圍較寬，但壓實(shí)后滲透系數(shù)一般都較小[3]。

2 堆石料本構(gòu)模型

2.1 非線性彈性模型

非線性彈性模型[4]是廣義虎克定律的推廣和延伸，材料的非線性特性基于變化的彈性常數(shù)來(lái)進(jìn)行反映。文章采用的是鄧肯E-B模型。

鄧肯E-B模型是以切線彈性模量Et和切線體積模量Bt為計(jì)算參數(shù)。計(jì)算公式為：

(1)

式中：m為體積模量指數(shù)；Kb為體積模量基數(shù)。

模型還考慮粗粒料內(nèi)摩擦角φd與圍壓σ3的變化關(guān)系，表達(dá)式為：

(2)

式中：φ0-σ3為單位大氣壓的φd值。

鄧肯E-B模型是在非線性彈性模型中應(yīng)用較廣，其特點(diǎn)是模型參數(shù)較少且數(shù)據(jù)來(lái)源通過(guò)試驗(yàn)確定，簡(jiǎn)單易行等優(yōu)點(diǎn)，是三維有限元計(jì)算分析中常采用的本構(gòu)模型的典型代表。

2.2 面板和墊層間的接觸面的有限元模型

為了更好地模擬面板與堆石料間的物理形態(tài)，有限元計(jì)算中在二者之間設(shè)置接觸面單元。文章采用無(wú)厚度Goodman接觸面單元。其切向勁度表達(dá)式為：

(3)

式中：n為模量指數(shù)；τ為接觸面方向的剪應(yīng)力；σn為法向應(yīng)力；φ為摩擦角；Rf為破壞比。

法向勁度的確定：接觸面受壓、拉時(shí)，分別取值取1.0×105MPa/m，1MPa/m。X、Z方向的剪切勁度計(jì)算公式為：

(4)

相應(yīng)方向的勁度系數(shù)通過(guò)試驗(yàn)確定。

3 工程概況

某水利樞紐工程主要以地區(qū)供水和下游灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪等功效。工程等級(jí)為Ⅰ等大(1)型工程。總庫(kù)容10.45億m3，電站總裝機(jī)67萬(wàn)kW，壩頂高程為890m，最大壩高150m，正常蓄水位為880.0m。大壩主要由壩體、電站廠房、溢洪道和引水發(fā)電隧洞組成。壩體分區(qū)共分為7個(gè)區(qū)域[5]，具體分區(qū)的混凝土面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

3.1 材料計(jì)算參數(shù)

該工程各分區(qū)材料計(jì)算參數(shù)的具體取值見(jiàn)表1[6]。

3.2 有限元模型

有限元模型計(jì)算區(qū)域的選?。貉貕屋S線向上、下游分別取150m,豎直方向取150m。計(jì)算坐標(biāo)系為：X軸為水流方向，向下游為正；Y軸為壩軸線方向，向左為正；Z軸為豎直方向，向上為正。計(jì)算模型劃分采用八結(jié)點(diǎn)六面體等參單元，局部采用四結(jié)點(diǎn)四面體單元來(lái)填充，共得到單元有14880個(gè)，節(jié)點(diǎn)有17065個(gè)[7]。計(jì)算工況分為兩種：竣工期和蓄水期，分別研究壩體在不同工況下的應(yīng)力變形。有限元模型見(jiàn)圖2。

表1 壩體各分區(qū)材料鄧肯E-B模型參數(shù)表

圖2 大壩三維有限元計(jì)算模型

3.3 計(jì)算結(jié)果

壩體應(yīng)力變形應(yīng)力符號(hào)定義為：以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。位移符號(hào)定義為：壩體水平指向下游為正，豎直方向向上為正，壩軸線方向指向右岸為正。

1)竣工期應(yīng)力變形見(jiàn)圖3-7所示。

圖3 竣工期壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面垂直位移等值線圖

圖4 竣工期壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面水平位移等值線圖

圖5 竣工期壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面大主應(yīng)力等值線圖

圖6 竣工期壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面小主應(yīng)力等值線圖

圖7 竣工期壩軸線方向位移等值線圖

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知：竣工期壩體最大沉降為1.054m，在壩高約1/2處的次堆石區(qū)域內(nèi)，通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)壩體不同分區(qū)的軟巖料和硬巖料填筑的壩體最大沉降值相比相差較大[8]。證明軟巖料受力區(qū)域較大，故壩體的最大沉降值相比較大。

竣工期壩體上、下游最大水平位移0.223m和0.252m。從圖中可以看出硬巖料填筑部位水平位移分布比較對(duì)稱，而軟巖料填筑的區(qū)域水平位移分布較不對(duì)稱，分析因?yàn)檐泿r料分布區(qū)域較大，故最大水平位移相比較高。

竣工期壩體大、小主應(yīng)力最值發(fā)生在大壩底部，均為壓應(yīng)力，最值為2970.25 KPa和1002.15。次堆石區(qū)軟巖料填筑的壩體的大主應(yīng)力、小主應(yīng)力均比硬巖料填筑的部位數(shù)值增大。

竣工期壩體沿壩軸線方向左、右岸最大位移為0.1280和0.1282m。同時(shí)次堆石區(qū)采用軟巖料填筑的壩體最大位移也均比硬巖料填筑的部位數(shù)值大。

2)蓄水期壩體的變形及應(yīng)力見(jiàn)圖8-12所示。

圖8 蓄水期壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面垂直位移等值線圖

圖9 蓄水期壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面水平位移等值線圖

圖11 蓄水期壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面小主應(yīng)力等值線圖

圖12 蓄水期壩軸線方向位移變化等值線圖

由計(jì)算結(jié)果圖示可知，蓄水期壩體最大沉降發(fā)生在壩高月1/2處，最大值為1.192m，相比竣工期的計(jì)算結(jié)果在蓄水期，壩體在靜水壓力作用下的位移變化分布略微增大，但數(shù)值相差不大。同時(shí)采用軟巖料填筑的壩體豎直位移相對(duì)均有增大的趨勢(shì)。

蓄水期壩體水平位移上、下游的最大水平位移0.204m和0.246m，和竣工期的相比可以得出，蓄水后壩體上游水平位移有所減小，下游水平位移相差不大。采用軟巖料填筑的壩體區(qū)域順河向水平位移最大值均明顯增大。

蓄水期壩體大、小主應(yīng)力的等值線分布圖中分布規(guī)律和竣工期相比基本一致，但從數(shù)值分析均有所增大。壩體大、小主應(yīng)力的最值均發(fā)生在壩體底部，為3999.15 KPa 和1296.25 KPa，均位于壩體底部。次堆石區(qū)采用軟巖料填筑的壩體最大剖面大、小主應(yīng)力值相對(duì)較大。

蓄水期壩體沿壩軸線方向左、右岸最大位移0.1270和0.1275m。次堆石區(qū)采用軟巖料填筑的壩體位移最大值相比硬巖廖填筑區(qū)較大。通過(guò)蓄水期的壩體應(yīng)力變形結(jié)果表明在壩體自重和靜水壓力共同作用下最不利的位置在正常蓄水位處。

4 結(jié) 論

文章在對(duì)軟巖料的工程特性進(jìn)行分析總結(jié)，并結(jié)合工程實(shí)例，結(jié)合壩體材料混凝土面板、接觸面、趾板、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)的本構(gòu)模型，對(duì)基于軟巖料填筑的面板堆石壩進(jìn)行靜力有限元數(shù)值仿真計(jì)算，分析研究軟巖料填筑面板堆石壩的在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變。計(jì)算結(jié)果顯示，壩體的主要位移發(fā)生在竣工期，采用軟、硬巖料不同分區(qū)材料填筑的壩體最大沉降值相比差距較大，軟巖料區(qū)域利用范圍增加，最大沉降值也相應(yīng)增大，壩體的水平位移和最大沉降均符合設(shè)計(jì)要求，與工程實(shí)測(cè)資料相比有限元計(jì)算結(jié)果均在合理范圍內(nèi)。文章的研究成果在對(duì)基于軟巖料填筑的面板堆石壩中有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

[1]中華人民共和國(guó)水利部.SL228-98混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,1999.

[2]蔣國(guó)澄,傅志安,鳳家驥.混凝土面板壩工程[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,1997：21-48.

[3]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.

[4]中華人民共和國(guó)水利部.SL228-98混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

[5]單宏偉.高面板堆石壩模型參數(shù)反演及應(yīng)力變形分析[D].北京:清華大學(xué),2008.

[6]羅先啟，葛修潤(rùn).混凝土面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析方法研究[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007：15-39.

[7]顧淦臣,黃金明.混凝土面板堆石壩本構(gòu)模型與應(yīng)力變形分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),1991(01):12-24.

[8]蔣國(guó)澄.中國(guó)混凝土面板堆石壩20年[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005:542.

Analysis and Study on Slab Rock-fill Dam Stress Deformation based on Soft Rock Material Filling

HAO Ying-ze

(Heilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Engineering Limited Company, Harbin 150080, China)

With gradual ripeness of domestic and foreign damming technology for slab rock fill dam,variability facing to all kinds of complex geological conditions and damming materials is developed constantly. At present, the damming technology of soft rock material also turns to mature constantly and becomes material selected for more dam types. China is vast in territory with many seismic zones, which causes many dams to be constructed in high incidence area of strong earthquake, therefore, the earthquake resistance section is vital important in control design of facing rock fill dam based on soft rock material filling. In this paper, three-dimensional finite elements were adopted, in combination with the static force calculation model of slab rock-fill damming material, the three-dimensional finite element was analyzed for slab rock-fill dam with soft rock material filling based on actual hydraulic key project, and the conclusion was compared with observed project data to verify the feasibility of valuable simulation analysis, meanwhile, the results calculated and achievements is very meaningful for the control design of similar projects.

filling of soft rock material;slab rock-fill dam; stress deformation

1007-7596(2017)05-0027-05

2017-04-12

郝英澤(1987-)，男，黑龍江甘南人，助理工程師。

TV421

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