吳志波 江守燕 黎亞生 杜成斌 劉翰昇

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,昆明 650021;2.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院,南京 211100)

瀝青混凝土心墻壩是近些年來興起的一種水工壩體結(jié)構(gòu),已成為具有極大發(fā)展?jié)摿蛯?shí)用性的新型壩型[1-2].近年來,瀝青混凝土心墻壩的建設(shè)規(guī)模越來越大,壩體越建越高,如三峽茅坪溪瀝青混凝土心墻土石壩最大壩高104 m(2003年竣工)[3-4]、新疆下坂地瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高81 m[5]、四川冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高125 m(2005年竣工)[6].而且,很多壩體修建在環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜、地震烈度高的西南、西北地區(qū),導(dǎo)致壩體在修建的過程中容易發(fā)生大規(guī)模的不均勻沉降,嚴(yán)重威脅大壩的安全,數(shù)值仿真模擬在研究壩體的應(yīng)力應(yīng)變分析中有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[7-13].

王相峰等[9]采用鄧肯-張模型對澆筑式瀝青混凝土心墻壩的應(yīng)力與變形進(jìn)行了有限元分析計(jì)算,得到了澆筑式瀝青混凝土心墻的溫度和瀝青用量對不同壩高情況下心墻工作性態(tài)的影響.謝慶明等[10]和黎亞生等[11]對瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩的靜動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析,為該壩的設(shè)計(jì)和施工提供了指導(dǎo).李炎隆等[12]采用三維非線性有限元技術(shù),結(jié)合某瀝青混凝土心墻壩工程,在靜力分析的基礎(chǔ)上對大壩的動(dòng)力特性及抗震安全性進(jìn)行了動(dòng)力反應(yīng)分析.羅博華等[13]考慮覆蓋層材料靜力參數(shù)隨機(jī)、動(dòng)力參數(shù)隨機(jī)和二者均隨機(jī)情況下,分析了瀝青混凝土心墻壩壩頂、心墻頂水平向峰值加速度和壩體豎向永久變形的均值、變異系數(shù)及95%的置信區(qū)間限值等統(tǒng)計(jì)規(guī)律及概率分布檢驗(yàn).

隨著系統(tǒng)仿真理論的不斷發(fā)展,利用數(shù)值仿真軟件可以對瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行施工全動(dòng)態(tài)仿真模擬,描述瀝青混凝土心墻性質(zhì),預(yù)測大壩在不同工況下瀝青混凝土心墻壩各項(xiàng)參數(shù)的合理取值范圍和工作性態(tài),還可以通過結(jié)果的分析提出一些施工的改進(jìn)措施,優(yōu)化施工方案,可以對瀝青混凝土心墻壩在設(shè)計(jì)和施工上的工程難題提出有益的建議.我國水利水電事業(yè)正處于快速發(fā)展階段,未來百米級高瀝青混凝土心墻壩的修建已是無可避免的趨勢,利用數(shù)值仿真軟件開展百米級高瀝青混凝土心墻壩的受力特性研究,具有重要的理論和工程指導(dǎo)意義.

1 工程概況

轎子山水庫地處昆明市東川區(qū)紅土地鎮(zhèn)境內(nèi),位于金沙江流域小江左岸一級支流小清河中游,屬金沙江水系二級支流.水庫距東川區(qū)約76 km,距昆明市233 km.轎子山水庫是以供水為主要任務(wù)的綜合利用中型水利工程,水庫總庫容2 033萬m3,工程由樞紐工程和渠系工程組成.樞紐工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪隧洞、輸水隧洞組成.大壩為瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩,圖1為大壩的基本剖面圖(壩橫0+140 m 剖面),最大壩高99 m,壩頂寬10 m,壩頂長320 m.轎子山水庫瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩是目前云南省在建的最高一座瀝青混凝土心墻壩,也是在強(qiáng)震區(qū)建設(shè)的第一座瀝青混凝土心墻壩.主體工程于2015年11月開工建設(shè),2016年4月底完成度汛壩體填筑,2018年6月,大壩填筑至2167 m 高程,填筑高度62 m.2022年3月大壩已蓄水至正常蓄水位2 201.5 m 高程,圖2為蓄水至正常蓄水位的轎子山水庫大壩.

圖1 大壩壩橫0+140 m 剖面

圖2 蓄水至正常蓄水位的轎子山水庫

2 計(jì)算模型

2.1 有限元網(wǎng)格

選取二維典型剖面壩橫0+140 m 斷面進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算(該剖面壩高99 m),計(jì)算中采用的二維有限元計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示,在二維有限元分析中單元類型為四結(jié)點(diǎn)四邊形等參單元.選取的坐標(biāo)系x方向順河流向(指向下游為正),y方向正向豎直向上.壩體和地基系統(tǒng)共有9 747個(gè)結(jié)點(diǎn),9 541個(gè)單元,其中壩體包括6 064個(gè)結(jié)點(diǎn)和5 889個(gè)單元.基巖范圍沿上、下游分別延伸約2倍最大壩高,向基礎(chǔ)深部延伸約2倍最大壩高.

圖3 二維典型斷面(壩橫0+140 m)有限元計(jì)算網(wǎng)格

2.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

壩體材料分區(qū)如圖4所示,計(jì)算中共考慮了5種材料.針對不同的材料特性,數(shù)值計(jì)算主要采用了兩種材料本構(gòu)模型:線彈性本構(gòu)模型和鄧肯-張非線性彈性本構(gòu)模型(E-v本構(gòu)模型).計(jì)算中,對于基巖、帷幕、混凝土基座采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算,參數(shù)見表1.黏土斜墻、圍堰料、度汛壩體料、壩殼砂巖泥巖強(qiáng)弱風(fēng)化料、弱風(fēng)化砂巖堆石料、瀝青混凝土以及過渡料采用鄧肯-張E-v本構(gòu)模型,參數(shù)見表2.

圖4 材料分區(qū)示意圖

表1 線彈性材料參數(shù)

表2 靜力計(jì)算鄧肯-張E-v 模型參數(shù)

3 分級加載方式

綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量及大壩施工過程,且考察每級施工填土厚度對大壩整體應(yīng)力-變形的影響,考慮兩種分級加載方式,二維典型斷面(壩橫0+140 m)分級加載模擬分別采用21級(分級加載方式1)和42級(分級加載方式2),見表3～4,分級加載方式2細(xì)化了分級加載方式1中的壩體填筑過程.

表3 大壩施工及蓄水過程模擬(分級加載方式1)

表4 大壩施工及蓄水過程模擬(分級加載方式2)

4 大壩應(yīng)力-變形分析

4.1 填土厚度對大壩整體應(yīng)力-變形的影響

表5～6分別列出了兩種分級加載方式下二維典型斷面非線性有限元靜力計(jì)算得到的壩體變形和應(yīng)力極值,分級加載方式2每層填土厚度均小于分級方式1.

表5 壩體變形和應(yīng)力極值(分級加載方式1)

表6 壩體變形和應(yīng)力極值(分級加載方式2)

從表中可以看出,填土厚度對大壩整體應(yīng)力-變形影響不大,每層填土厚度較小時(shí),計(jì)算得到的壩體最大水平位移有所減小,減小了約7.10%;最大沉降值有所增加,增加了約1.46%;填土厚度對壩體應(yīng)力的影響可忽略不計(jì).

采用分級加載方式1進(jìn)行施工模擬時(shí),計(jì)算得到的竣工期壩體最大沉降值為69.73 cm,出現(xiàn)在大約2/3壩高處,約占最大壩高(99 m)的0.70%;壩體上游部分的水平位移呈現(xiàn)向上游變位的趨勢,其最大值為11.10 cm,壩體下游部分呈現(xiàn)向下游變位的趨勢,其最大值為19.09 cm,發(fā)生在約2/5壩高靠近下游壩面附近.

采用分級加載方式2進(jìn)行施工模擬時(shí),計(jì)算得到的竣工期壩體最大沉降值為70.72 cm,出現(xiàn)在大約2/3壩高處,約占最大壩高(99 m)的0.71%;壩體上游部分的水平位移呈現(xiàn)向上游變位的趨勢,其最大值為11.22 cm,壩體下游部分呈現(xiàn)向下游變位的趨勢,其最大值為17.88 cm,發(fā)生在約2/5壩高靠近下游壩面附近.

綜上所述,分級加載方式1采用21級進(jìn)行施工模擬計(jì)算得到的壩體應(yīng)力-變形已滿足精度要求,兩種分級加載模擬方式得到大壩變形最大值所處的位置基本一致,進(jìn)一步細(xì)化分級模擬對大壩整體的應(yīng)力-變形影響不大.

4.2 心墻-過渡料接觸面材料參數(shù)對大壩整體應(yīng)力-變形的影響

由于精確模擬心墻與過渡料之間接觸較為困難,在ABAQUS軟件中計(jì)算難以收斂,研究中通過在心墻與過渡料之間設(shè)置薄層單元,薄層單元厚度為20 cm,通過薄層單元的材料參數(shù)變化近似反映心墻與過渡料之間的弱界面對大壩整體應(yīng)力-變形的影響,薄層單元的材料本構(gòu)模型采用線彈性模型,采用分級加載方式1進(jìn)行施工過程模擬.

表7列出了薄層單元不同材料參數(shù)下竣工期整體大壩應(yīng)力-變形結(jié)果,薄層單元彈性模量從1 MPa變化到50 MPa,繼續(xù)減小彈性模量,計(jì)算結(jié)果不符合土石壩的變形規(guī)律.從表7可以看出,與不設(shè)薄層單元相比,即不考慮心墻與過渡料之間的弱界面,設(shè)置薄層單元后,壩體的最大水平位移基本呈減小趨勢,但減小的幅度很小,減小量最大為5.81%;壩體最大沉降量有所增加,最大增加量為21.8%.由于大、小主應(yīng)力最大值均發(fā)生在壩體靠近底部混凝土基座附近,不考慮心墻與過渡料之間的弱界面時(shí),該處材料特性變化梯度較大,計(jì)算得到的應(yīng)力較大,考慮心墻與過渡料之間的弱界面時(shí),大、小主應(yīng)力均有所減小.弱界面的存在對大壩整體應(yīng)力-變形的分布規(guī)律影響不大,不改變變形最大值及應(yīng)力最大值所處的位置.

表7 薄層單元不同材料參數(shù)下竣工期整體大壩應(yīng)力-變形結(jié)果

圖5給出了薄層單元不同材料參數(shù)下心墻應(yīng)變隨高程的變化曲線,從圖5可以看出,心墻主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變,應(yīng)變值隨高程增加而減小,應(yīng)變量變化范圍為0～0.03ε,在高程2 150 m 以上,薄層單元材料參數(shù)對心墻應(yīng)變影響不顯著,但在高程2150 m 以下,薄層單元材料參數(shù)對心墻應(yīng)變有較明顯的影響,薄層單元彈性模量越小,壓應(yīng)變越大.

圖5 薄層單元不同材料參數(shù)下心墻應(yīng)變隨高程變化曲線

綜上所述,對于本工程,即使按照不考慮心墻與過渡料之間的弱界面進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果也是偏于安全的,雖然考慮心墻與過渡料之間的弱界面時(shí)最大沉降量有所增加,但增加量仍可控制在22%以內(nèi).

4.3 心墻溫度對大壩整體應(yīng)力-變形的影響

瀝青混凝土為溫度敏感性材料,在不同溫度下會表現(xiàn)出不同的材料特性,由于本工程缺少不同溫度下瀝青混凝土材料參數(shù),參照文獻(xiàn)[9]提供的不同溫度下瀝青混凝土材料參數(shù),分別研究不同溫度(5℃,10℃,15℃)對大壩整體應(yīng)力-變形的影響.表8 列出了不同溫度下竣工期整體大壩的應(yīng)力-變形結(jié)果.從表8可看出,隨著溫度的升高,大壩的豎向沉降量和水平位移逐漸增大,但增幅不明顯,說明瀝青混凝土的溫度對大壩位移的影響較小.隨著溫度的升高,大壩大主應(yīng)力極值逐漸減小,大壩小主應(yīng)力極值呈增加趨勢.但總體來看,大壩的工作性態(tài)對溫度的反應(yīng)并不敏感.

表8 不同溫度下竣工期整體大壩的應(yīng)力-變形結(jié)果

5 結(jié)論

對選取的二維斷面進(jìn)行了精細(xì)化模擬,研究了填土厚度、心墻-過渡料接觸面材料參數(shù)、心墻溫度變化對大壩整體應(yīng)力-變形的影響.結(jié)果表明:

1)填土厚度對大壩整體應(yīng)力-變形影響不大,每層填土厚度較小時(shí),計(jì)算得到的壩體最大水平位移有所減小,最大沉降值有所增加;采用21級進(jìn)行施工模擬計(jì)算得到的壩體應(yīng)力-變形已滿足精度要求.

2)心墻與過渡料之間設(shè)置薄層單元后,壩體的最大水平位移基本呈減小趨勢,最大沉降量有所增加.弱界面的存在對大壩整體應(yīng)力-變形的分布規(guī)律影響不大,不改變變形最大值及應(yīng)力最大值所處的位置.

3)心墻主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變,應(yīng)變值隨高程增加而減小,應(yīng)變量變化范圍為0～0.03ε,在高程2 150 m以下,薄層單元材料參數(shù)對心墻應(yīng)變有較明顯的影響,薄層單元彈性模量越小,壓應(yīng)變越大.對于本工程,即使按照不考慮心墻與過渡料之間的弱界面進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果也是偏于安全的.

4)瀝青混凝土為溫度敏感性材料,在不同溫度下會表現(xiàn)出不同的材料特性.隨著溫度的升高,大壩的豎向沉降量和水平位移逐漸增大,但增幅不明顯,說明瀝青混凝土的溫度對大壩位移的影響較小.隨著溫度的升高,大壩大主應(yīng)力極值逐漸減小,大壩小主應(yīng)力極值呈增加趨勢.總體來看,大壩的工作性態(tài)對溫度的反應(yīng)并不敏感.