地震作用下高面板砂礫石壩滲流-應(yīng)力耦合研究

銀佳男，鄒德高,2，孔憲京,2

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024；大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

地震作用下高面板砂礫石壩滲流-應(yīng)力耦合研究

銀佳男1，鄒德高1,2，孔憲京1,2

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024；大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

天然砂礫石料具有級配離散性差、間斷性和施工易分離等特性，強震作用下大壩防滲體一旦發(fā)生破壞，將會帶來不利影響。采用混凝土塑性損傷模型和堆石料廣義塑性模型，對弱透水性高面板砂礫石壩進行動力有限元分析，確定面板損傷分布，進而計算壩體非穩(wěn)定滲流場，建立以混凝土損傷模型和堆石料廣義塑性模型為基礎(chǔ)的非穩(wěn)定滲流-應(yīng)力耦合計算方法，分析在非穩(wěn)定滲流作用下，大壩應(yīng)力和變形的變化規(guī)律。結(jié)果表明：壩體為弱透水時，地震結(jié)束后大壩在非穩(wěn)定滲流作用下，壩體小主應(yīng)力顯著減小，面板產(chǎn)生向上拉伸、向外彎曲趨勢的位移增量，面板部分區(qū)域損傷值變大。評價大壩極限抗震能力時，除了考慮地震結(jié)束時面板的損傷狀態(tài)，還應(yīng)進一步考慮面板破壞后非穩(wěn)定滲流對應(yīng)力場的影響。

高面板砂礫石壩；非穩(wěn)定滲流-應(yīng)力耦合；面板損傷；極限抗震能力

混凝土面板砂礫石壩具有安全性、經(jīng)濟性、適應(yīng)性等優(yōu)點[1]，成為近年來運用最為廣泛的壩型之一。目前，我國砂礫石廣泛分布的西北地區(qū)已建、在建和擬建多座百米級的混凝土面板砂礫石壩，如新疆魯瓦提(131.8 m)、青海黑泉(123.5 m)、新疆阿爾塔什(164.2 m)、卡拉貝利(92.5 m)、大石門(120 m)等面板砂礫石壩，其抗震設(shè)計烈度均大于或等于8度。由于天然砂礫料具有級配離散型差、間斷性和施工易分離性的特點，抗?jié)B透破壞和抗沖蝕的能力較差[2]。防滲體一旦發(fā)生破壞，將會對大壩帶來不利的影響[3-4]。因此，高面板砂礫石壩的抗震能力引起了廣泛關(guān)注[5]。

國內(nèi)學(xué)者對混凝土面板壩防滲體破壞研究主要有兩種形式：一種是從固體(壩體)的角度，如文獻[6]研究了地震荷載作用下混凝土面板的損傷發(fā)生和發(fā)展過程；另一種方法是從流體(滲流)的角度，如陳群等[7]，研究了非飽和滲流情況下壩體滲流場的變化以及水力參數(shù)的分布，并用于溝后面板壩潰壩過程的模擬。張麗等[8]針對某混凝土面板砂礫石壩，分析了面板縫不同失效程度對滲流場的影響。

目前，壩工界大都以地震結(jié)束時的狀態(tài)來評價壩體安全性。然而地震導(dǎo)致大壩防滲體損傷開裂后，將導(dǎo)致庫水滲漏，引起滲流-筑壩砂礫石-防滲面板的相互作用，有可能對大壩安全存在不利的影響，這在以往的研究中一般沒有考慮。本文采用混凝土損傷模型和堆石料廣義塑性模型，首先通過對弱透水性高面板砂礫石壩進行二維動力有限元分析，確定地震后面板損傷分布。然后根據(jù)面板損傷情況，確定混凝土面板滲透系數(shù)的變化?？紤]壩體施工填筑的不均勻性而引起的壩料填筑明顯分層的不利工況，進而對震后壩體進行非穩(wěn)定滲流計算，研究這一過程中壩體應(yīng)力和變形的變化規(guī)律。

1 本構(gòu)模型和計算參數(shù)

本文砂礫石體采用廣義塑性模型，面板與砂礫石體界面采用廣義塑性接觸面模型，混凝土采用塑性損傷模型。采用商業(yè)軟件GeoStudio中的SEEP/W模塊模擬地震導(dǎo)致面板損傷后不同時刻壩體非穩(wěn)定滲流場。

1.1 堆石料廣義塑性模型和接觸面廣義塑性模型

Pastor和Zienkiewicz以廣義塑性力學(xué)[9]為基礎(chǔ)，提出了廣義塑性模型。P-Z模型理論、思路清晰，鄒德高等[10]在彈性模量，加、卸載模量等方面對該模型進行了改進，并成功應(yīng)用于堆石壩的靜、動力分析。采用新疆某砂礫石壩筑壩材料的大型三軸試驗結(jié)果見表1所示。

表1 砂礫料廣義塑性模型計算參數(shù)

劉京茂等[11]提出了一個可以較好地反映堆石料的剪脹、剪縮、顆粒破碎等特性的三維彈塑性接觸面模型。具體參數(shù)見表2。

表2 廣義塑性接觸面模型參數(shù)

1.2 混凝土損傷模型

鋼筋混凝土的損傷模型參數(shù)[12]見表3，C25混凝土靜力損傷ft取軸心抗拉強度標準值1.78 MPa，fc取軸心抗壓強度標準值24.23 MPa。鋼筋用理想彈塑性模型去描述，型號：HPB400?；鶐r密度為ρ=2 600 kg/m3，彈性模量E=10 GPa，泊松比ν=0.25，采用線彈性模型去模擬。

表3 鋼筋混凝土動力損傷模型參數(shù)

1.3 飽和-非飽和土的滲流模擬

選取溝后壩壩體砂礫料的特性，根據(jù)文獻[7]建議的方法求得飽和-非飽和滲流中土水特征曲線和滲透系數(shù)變化曲線，滲透函數(shù)參數(shù)見表4。

表4 非飽和滲流材料參數(shù)

2 混凝土面板砂礫石壩模型

2.1 壩體計算有限元模型

采用壩高為200 m的高面板砂礫石壩有限元計算模型。上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.6。壩體分50層填筑，蓄水至190 m。大壩有限元網(wǎng)格見圖1?；炷撩姘搴穸劝凑找?guī)范[13]確定，面板網(wǎng)格在厚度方向上共分10層，鋼筋網(wǎng)設(shè)置在面板厚度方向的中部。

圖1 壩體計算網(wǎng)格(單元20 704，節(jié)點20 340)

2.2 滲流-應(yīng)力耦合計算方法

采用自行開發(fā)的程序生成SEEP/W的Xml讀入文件。計算地震結(jié)束后非穩(wěn)定滲流場后，選取有代表性的滲流時刻，輸出每個時刻的節(jié)點孔隙水壓力，再通過映射的方式，將孔隙水壓力加到固體網(wǎng)格的節(jié)點上。每個時刻都是下一時刻的初始時刻，計算不同時刻非穩(wěn)定滲流對壩體應(yīng)力、變形的影響。

3 地震動輸入

地震動輸入采用規(guī)范譜人工地震波，見圖2。水平向峰值加速度為0.3g，豎向地震峰值加速度為0.2g。計算中地震波時長為25.00 s。地震動輸入采用黏彈性邊界并考慮了大壩和基巖的動力相互作用及輻射阻尼。

圖2 地震波加速度時程曲線

4 面板砂礫石壩數(shù)值分析結(jié)果

4.1 面板震后損傷

圖3為混凝土面板在地震后的損傷分布圖(面板厚度方向尺寸放大20倍)(通常認為超過損傷值0.8時為嚴重損傷[14])?？梢钥闯觯?56.6 m～158.6 m高度之間面板發(fā)生了貫穿性的嚴重損傷。Jason L等[15]得出了綜合飽和度、損傷因子的混凝土滲透率(氣、液)計算公式：

D<0.035時，Kg=K0(1-S1)4.5(1-S12)

(1)

D≥0.035時，Kg=K0(1-S1)4.5(1-S12)×108.67D-0.3

(2)

式中：D表示損傷因子；Kg損傷后混凝土滲透率；K0損傷前混凝土滲透率；S1飽和度。

文獻[16]從實驗的結(jié)果得出：相比于未開裂前混凝土滲透系數(shù)為10-12m/s～10-11m/s，開裂后的混凝土的滲透系數(shù)達到了10-5m/s～10-4m/s量級。因此，混凝土面板損傷值在0.8～1.0(嚴重損傷)的位置統(tǒng)一取滲透系數(shù)損傷值為0.9時對應(yīng)的滲透系數(shù)(平均值)1.12×10-5m/s。

圖3 面板震后損傷分布

由于墊層料具有半透水性，大部分水頭集中損失在該區(qū)域，墊層控制著壩體的滲流。對于透水性極強的堆石和礫石以及壩內(nèi)設(shè)置豎向排水的面板壩，由于其排水十分通暢，壩體內(nèi)均不能形成較高的浸潤線[17]。因此，本文主要針對弱透水性材料的均質(zhì)面板砂礫石壩進行分析。由于實際工程施工填筑的不均勻性，施工質(zhì)量控制的不確定性，且根據(jù)溝后壩因為壩料填筑嚴重分層而導(dǎo)致潰壩的教訓(xùn)，本文對非穩(wěn)定滲流的模擬，選取了一個較為不利的工況，在面板嚴重損傷的高程(156.6 m～158.6 m)處，壩體材料取為粗粒料，探究非穩(wěn)定滲流對大壩應(yīng)力、變形的影響。

4.2 面板地震損傷后壩體非飽和滲流結(jié)果

圖4為非飽和滲流作用下壩體孔隙水壓力隨時間變化結(jié)果。地震結(jié)束時面板局部損傷后，庫水從上游面滲入壩體。由于在面板損傷高程處，壩料存在水平分層，故滲流前鋒面沿粗粒和細粒交界面延伸。在粗粒層以下，相當于一個均質(zhì)壩，庫水向四周滲流，到下游水位時，再分別向兩邊滲流，將整個壩體分為飽和區(qū)和非飽和區(qū)。到42.5 d左右，壩體基本上達到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

4.3 非穩(wěn)定滲流對壩體砂礫石的影響

圖5為不同時刻壩體小主應(yīng)力等值線分布圖，圖6為滲流引起的壩體變形增量圖。由圖5、圖6可以看出，飽和區(qū)壩體小主應(yīng)力顯著減小。隨著飽和區(qū)內(nèi)的孔隙水壓不斷升高，滲流作用引起壩體發(fā)生向外擴張的位移增量。

圖4 壩內(nèi)孔隙水壓力等值線圖(m)

圖5 壩體小主應(yīng)力等值線(MPa)

圖6 壩體變形增量圖(箭頭所示為變形增量圖，放大100倍)

4.4 非穩(wěn)定滲流對面板的影響

庫水從面板嚴重損傷高程滲入壩體，由于滲流過程中發(fā)生了水頭損失，面板損傷位置以下相同高程處內(nèi)外兩側(cè)節(jié)點還存在水頭差，故面板和墊層間仍存在法向壓應(yīng)力。壩體滲水飽和后，其附加位移增量方向向外，引起面板和墊層間產(chǎn)生順坡向上的摩擦力，并同孔隙水壓力共同作用，面板產(chǎn)生向上拉伸、向外彎曲趨勢的位移增量，見圖7面板變形增量圖。

圖7 面板變形增量圖(箭頭所示為變形增量圖，放大100倍)

圖8為穩(wěn)定滲流狀態(tài)時面板的損傷分布，相比圖3震后面板的損傷，非穩(wěn)定滲流作用下面板損傷會進一步發(fā)展，故評價大壩極限抗震能力時，除了考慮地震結(jié)束時面板的損傷狀態(tài)，還應(yīng)進一步考慮面板破壞后非穩(wěn)定滲流對應(yīng)力場的影響。

5 結(jié) 論

本文針對200 m級的混凝土面板砂礫石壩進行了二維靜、動力有限元彈塑性計算分析，根據(jù)震后面板損傷情況，研究了非穩(wěn)定滲流作用對壩體應(yīng)力、變形和面板損傷發(fā)展的影響規(guī)律。

圖8 面板損傷分布(t=42.57 d)

(1) 壩體為弱透水時，震后面板損傷后，庫水沿粗粒料和細粒料交界面延伸且在重力的作用下向四周擴散。將壩體分為飽和區(qū)和非飽和區(qū)，最終達到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。在孔隙水壓力作用下，飽和區(qū)內(nèi)壩體砂礫石的小主應(yīng)力顯著減小，位移增量方向向外。滲流作用引起的混凝土面板損傷進一步加劇。

(2) 評價大壩極限抗震能力時，除了考慮地震結(jié)束時面板的損傷狀態(tài)，還應(yīng)進一步考慮面板破壞后非穩(wěn)定滲流對應(yīng)力場的影響，有助于正確評估大壩的極限抗震能力。

[1] 孔憲京,周 揚,鄒德高,等.高面板堆石壩面板應(yīng)力分析及抗擠壓破壞措施[J].水力發(fā)電學(xué)報,2011,30(6):153-158.

[2] 陳生水,曹 偉,霍家平,等.混凝土面板砂礫石壩漫頂潰決過程數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報,2012,34(7):1169-1175.

[3] 宋建慶.面板堆石壩極端工況下滲流穩(wěn)定性及敏感性分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2011,9(2):77-79.

[4] 馬鐵成,崔 忠,陳 杰.淺析面板對土石壩潰壩過程的影響[J].水利與建筑工程學(xué)報,2012,10(6):121-123.

[5] 孔憲京.混凝土面板堆石壩抗震性能[M].北京：科學(xué)出版社,2015.

[6] 孔憲京,徐 斌,鄒德高,等.混凝土面板壩面板動力損傷有限元分析[J].巖土工程學(xué)報,2014,36(9):1594-1600.

[7] 陳 群,張利民,朱分清.填料分層對砂礫石壩滲流場的影響[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(2):179-183.

[8] 張 麗,沈振中,趙 斌,等.某超高面板砂礫石壩面板縫局部失效滲流場有限元分析[J].水利水電科技進展,2015,35(1):67-72.

[9] Mroz Z, Zienkiewicz O C. Uniform formulation of constitutive equations for clay and sand[C]//Desai C S, Gallangher R H, Editors. Mechanics of Engineering Materials. New York: Wiley; 1984：415-450.

[10] 鄒德高，徐 斌，孔憲京，等.基于廣義塑性模型的高面板堆石壩靜,動力分析[J].水力發(fā)電學(xué)報,2011,30(6):109-116.

[11] 劉京茂,孔憲京,鄒德高.接觸面模型對面板與墊層間接觸變形及面板應(yīng)力的影響[J].巖土工程學(xué)報,2015,37(4):700-710.

[12] Xu B, Zou D, Kong X, et al. Dynamic damage evaluation on the slabs of the concrete faced rockfill dam with the plastic-damage model[J]. Computers and Geotechnics, 2015,65:258-265.

[13] 中華人民共和國水利部.混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范：SL228—2013[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[14] Lubliner J, Oliver J, Oller S, et al. A plastic-damage model for concrete[J]. International Journal of Solids and Structures, 1989,25(3):299-326.

[15] Jason L, Pijaudier-Cabot G, Ghavamian S, et al. Hydraulic behaviour of a representative structural volume for containment buildings[J]. Nuclear Engineering and Design, 2007,237(12):1259-1274.

[16] Wang K, Jansen D C, Shah S P, et al. Permeability study of cracked concrete[J]. Cement & Concrete Research, 1997,27(3):381-393.

[17] 傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社，1993.

Seepage Stress Coupling on High Concrete Face Sand-gravel Dam Under Seismic Loads

YIN Jianan1, ZOU Degao1,2, KONG Xianjing1,2

(1.FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China;2.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

The natural sandy gravel has the characteristics of poor dispersion of gradation, discontinuity and easy separation of construction, and it will bring negative effects if the dam's anti-seepage body is destroyed under strong earthquake. In this paper, the plastic damage model of concrete and the generalized plastic model of rockfill are adopted to conduct the seismic response of the weakly permeable high concrete face sand-gravel dam, which aims to investigate the damage distribution of concrete slab and the subsequent calculation of the unsteady seepage field in dam body. Based on the two models, a distinctive coupled unsteady seepage and stress method is established. The variation of stress and deformation of dam under the action of unsteady seepage is analyzed. The results show that when the weak permeability dam is under unsteady seepage, the 3rd principal stress of the dam could reduce significantly. The displacement increment direction of the slab is upward and outward bending, and the damage value is larger. It is necessary to consider not only the damage state of the slab after earthquake, but also the influence of unsteady seepage on the stress field when evaluating the maximum aseismic capability of dam.

high concrete face sand-gravel dam; unsteady seepage stress coupling; concrete slab damage

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.003

2017-01-22

2017-02-28

國家自然科學(xué)基金項目(51379028)

銀佳男(1992—)，男(滿族)，遼寧興城人，碩士研究生，研究方向為高面板壩抗震安全性評價。 E-mail：jnyin@mail.dlut.edu.cn

TV640.31

A

1672—1144(2017)03—0014—05