透水底板破壞模式研究

馬永磊

隨著對(duì)高壩下游防護(hù)工程的研究不斷深入和對(duì)一些水利工程破壞的實(shí)例分析，水墊塘穩(wěn)定性的研究逐漸從“被動(dòng)防護(hù)”模式向“主動(dòng)防護(hù)”模式轉(zhuǎn)變。哈煥文[1]通過(guò)試驗(yàn)研究了透水護(hù)坦的水力學(xué)特性，表明在護(hù)坦范圍內(nèi)設(shè)置排水孔，當(dāng)透水面積與護(hù)坦面積（開(kāi)孔率）為5%到8%時(shí)，可以有效降低脈動(dòng)荷載。張少濟(jì)[2]等對(duì)透水底板脈動(dòng)壓力特性試驗(yàn)表明，底板開(kāi)孔相當(dāng)于縮小了板塊的有效尺度。增設(shè)透水孔之后，不僅可以及時(shí)的將底板下表面的水排出，減小了上舉力，加強(qiáng)了水流的相互均化作用，起到了類(lèi)似于調(diào)壓井的作用。文獻(xiàn)[3]研究透水底板的水動(dòng)力荷載特性，得到了透水底板相對(duì)于不透水水底板更安全的結(jié)論，李琳[4]在文中對(duì)平底板的局部穩(wěn)定安全系數(shù)的討論，對(duì)于研究透水底板的破壞模式具有借鑒意義。本文利用ANSYS建立三維非線性接觸有限元模型，通過(guò)非線性靜力計(jì)算與動(dòng)力計(jì)算分析，研究透水底板可能的破壞模式，對(duì)于工程建設(shè)、優(yōu)化透水底板的體型、水墊塘安全等提供參考。

1 計(jì)算荷載組合與數(shù)值模型

本文選定的計(jì)算荷載主要依據(jù)[5]為《SL253-2000溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，工程的經(jīng)濟(jì)以及方便施工。

主要研究荷載：①結(jié)構(gòu)自重。②靜水壓力。平底板靜水壓力為直線分布的均布荷載。③揚(yáng)壓力?？紤]到底板下表面的抽排以及防滲帷幕與排水孔，當(dāng)排水良好時(shí)，折減系數(shù)取0～0.1之間；排水正常時(shí)揚(yáng)壓力可取0.064倍水頭，排水時(shí)效時(shí)，揚(yáng)壓力取0.1倍水頭[5]。④錨固力。水墊塘底板布置Φ32的錨筋，深入基巖10 m，間排距為2.5 m×2.5 m～3 m×3 m之間。⑤底板與基巖的粘結(jié)力。根據(jù)規(guī)范[5]，數(shù)值模擬不考慮混凝土底板與基巖之間的粘結(jié)力。

考慮排水全部失效，則底板下表面承受的揚(yáng)壓力、時(shí)均壓力差、脈動(dòng)壓力等荷載可由底板承受的上舉力替代。水墊塘正常運(yùn)行泄流工況中通?？紤]的最不利是止水破壞且排水且失效，可能由于底板下表面的揚(yáng)壓力過(guò)大而引起底板的整體失穩(wěn)，故在非線性靜力分析時(shí)，選取此種工況作為控制工況。

數(shù)值模型的原型為向家壩水墊塘左半?yún)^(qū)，其水墊塘底板混凝土厚度在不同區(qū)域不同，選取其底流消能穩(wěn)定區(qū)部分作為研究對(duì)象。底板順?biāo)鞣较驅(qū)挾扰c原型保持一致為15 m?；鶐r縱向深度選取為10倍的底板厚為100 m，順?biāo)鞣较虻幕鶐r寬度為1倍底板寬度為15 m，根據(jù)文獻(xiàn)[3]選取最佳開(kāi)孔率3.45%。在邊墻與底板之間不設(shè)置鍵槽[6]，計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

板塊與板塊之間，板塊與導(dǎo)墻底座之間考慮庫(kù)倫摩擦模型，添加接觸單元TARGE170，摩擦系數(shù)為0.55，不考慮基巖與底板之間的粘合力。底板與導(dǎo)墻均采用SOLID65單元模擬，基巖采用SOLID185單元。錨筋采用LINK180單元，深入基巖10 m。

數(shù)值模型采用以下假定：

1）小位移小應(yīng)變模式；

2）基巖底面施加全約束，順?biāo)鞣较蚧鶐r底板施加順?biāo)飨蚣s束，且板塊不允許有順?biāo)鞣较虻奈灰?，垂直于水流方向基巖底板施加垂直水流流向約束；

3）由于考慮止水破壞且排水時(shí)效，不考慮基巖與混凝土之間的粘結(jié)力，故采用分布荷載施加作用于透水底板的下表面。模型各個(gè)部分的材料屬性列表，見(jiàn)表1。

圖1 透水底板整體計(jì)算模型

表1 模型各部分材料屬性

2 透水底板的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式

楊敏[3]等通過(guò)對(duì)不同開(kāi)孔率的平底板上舉力的研究，得到最佳開(kāi)孔率為3.5%左右且在同一開(kāi)孔率之下孔徑的變化對(duì)底板對(duì)承受上舉力影響不大的結(jié)論，基于此結(jié)論，在本數(shù)值模擬之中取其開(kāi)孔率為3.5%。

2.1 靜力失穩(wěn)

通過(guò)連續(xù)加載非線性靜力計(jì)算得到位移曲線。對(duì)比在荷載條件為56×9.81 kPa下，水墊塘底板不同位置的位移，底板最大位移發(fā)生在中間板塊，如圖2。在上舉力的作用下，不同板塊的位移不同呈“正拱”，中間板塊位移最大，兩邊板塊對(duì)稱遞。通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同荷載條件下的中心板塊的最大位移，可以得到統(tǒng)計(jì)圖3。圖中的散點(diǎn)表示的是水墊塘底板在不同上舉力之下的位移，從圖中可以看出，隨著底板下表面的上舉力不斷地增大，板塊的最大位移也在增大，在失穩(wěn)前，上舉力為56×9.81 kPa時(shí)，最大的位移值為0.096733 m。通過(guò)對(duì)荷載-最大位移數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，其R2=0.9908，表明其在未失穩(wěn)前，中間板塊最大位移與荷載呈線性關(guān)系。

圖4為邊緣板塊的最大位移隨荷載增長(zhǎng)的曲線，邊緣板塊的位移同樣隨著荷載的增加而不斷增加，接近線性增長(zhǎng)關(guān)系。對(duì)比圖3與4，通過(guò)對(duì)中間板塊的最大位移與邊緣板塊的最大位移，在同樣的荷載條件之下，中間板塊的最大位移是邊緣板塊的2倍左右，且當(dāng)下表面的荷載越大時(shí)，其規(guī)律越明顯。

圖2 不同位置的板塊位移

圖3 中間板塊的最大位移

圖4 邊緣板塊的最大位移

2.2 動(dòng)力失穩(wěn)

通過(guò)以荷載增長(zhǎng)速率為0.4×9.81 kPa/s的動(dòng)力計(jì)算，通對(duì)位移-時(shí)間曲線的處理，得到水墊塘地板上任意一點(diǎn)的變形速率-荷載曲線，以其變形速率突然增大的點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)點(diǎn)。

如圖5是水墊塘透水底板中間板塊的變形速率-荷載曲線，圖6是邊緣板塊的變形速率-荷載曲線。從圖中可以看到，在動(dòng)力條件之下，水墊塘的透水底板結(jié)構(gòu)在荷載為52×9.81 kPa時(shí)失穩(wěn)，中間板塊的變形速率大于邊緣板塊，且中間板塊的位移也大于邊緣板塊。觀察中間板塊失穩(wěn)曲線，可以看到在失穩(wěn)之前，其板塊變形速率逐漸增加至穩(wěn)定值，然后突變，說(shuō)明板塊在遞增荷載的作用之下，位移在不斷地增加，直至最后錨固失效，中間板塊失穩(wěn)。對(duì)應(yīng)邊緣板塊的失穩(wěn)曲線，其變形速率變化很大，最后突變，說(shuō)明在整體失穩(wěn)的過(guò)程之中，邊緣板塊的位移較小，偏于安全。如圖7是水墊塘底板失穩(wěn)模式圖。

圖5 中間板塊的失穩(wěn)曲線

圖6 邊緣板塊的失穩(wěn)曲線

圖7 水墊塘底板整體失穩(wěn)

2.3 斷裂、劈裂破壞

在本數(shù)值模擬之中，通過(guò)對(duì)混凝土材料的非線性設(shè)置，在靜力計(jì)算的條件之下，得到其裂縫的發(fā)展與可能發(fā)生破壞的區(qū)域。

圖8 水墊塘底板及導(dǎo)墻底座裂縫產(chǎn)生區(qū)域

圖9 中間板塊的裂縫及主拉應(yīng)力分布

圖10 邊緣板塊與導(dǎo)墻底座的主拉應(yīng)力分布

圖11 邊緣板塊和導(dǎo)墻底座的裂縫分布

圖8 是在上舉力荷載為56×9.81 kPa時(shí)，水墊塘底板與導(dǎo)墻底座的裂縫產(chǎn)生的區(qū)域分布圖。從圖中可以明顯的看到，在荷載的作用之下，中間板塊的裂縫產(chǎn)生的較多且較為集中的產(chǎn)生在底板的底部。同時(shí)，從圖中可以看到，在上舉力的作用之下，兩端是裂縫產(chǎn)生的集中區(qū)域。如圖9是在荷載為56×9.81 kPa時(shí)，水墊塘透水底板中間板塊的裂縫及其主拉應(yīng)力分布的示意圖，從圖a中可以看到裂縫主要集中在于板塊的底部以及板塊的中間偏下部位，對(duì)于單一板塊，其裂縫從板塊中部的兩邊向中間逼近，可能在水壓力的作用下，產(chǎn)生從底板中部貫穿板塊裂縫，從而導(dǎo)致板塊的劈裂破壞。從圖b可以看到拉壓力主要集中于透水孔附近，混凝土材料具有優(yōu)秀的抗壓性，透水孔附近的拉應(yīng)力過(guò)大，當(dāng)超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)破壞。透水孔的局部產(chǎn)生破壞，在脈動(dòng)水壓力的作用下裂縫逐漸擴(kuò)大，最終使底板斷裂。從圖10中的主拉應(yīng)力云圖，在邊緣板塊與導(dǎo)墻底座相接觸的地方，由于“正拱”的作用，拉應(yīng)力較為集中且都是在整體結(jié)構(gòu)中最大的地方，從圖11邊緣板塊和導(dǎo)墻底座的裂縫分布圖中可以看到，導(dǎo)墻與底板相接處的地方即是拉應(yīng)力最大的地方也是裂縫集中出現(xiàn)的地方。從圖a中可以看到，裂縫出現(xiàn)在透水孔附近。在揚(yáng)壓力的作用之下，板塊的局部出現(xiàn)超過(guò)抗拉強(qiáng)度的最大拉應(yīng)力，尤其是在底板中間部位和邊緣部位，混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)越的抗壓性能被抑制，只起到了隔絕水流與基巖、防止基巖被沖刷的作用。

3 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算，得到如下的結(jié)論：

（1）中間板塊往往是板塊水墊塘底板失穩(wěn)的危險(xiǎn)點(diǎn)，其在未失穩(wěn)前，中間板塊最大位移與荷載呈線性關(guān)系，中間板塊的位移大約是邊緣板塊的位移2倍，邊緣板塊的位移也與荷載呈線性關(guān)系。

（2）中間板塊的變形速率大于邊緣板塊，邊緣板塊偏于安全，說(shuō)明在脈動(dòng)壓力的做用下，中間板塊更容易失穩(wěn)。

（3）裂縫多產(chǎn)生在底板下表面拉應(yīng)力集中區(qū)域，受拉破壞，底板在揚(yáng)壓力的作用下，可能產(chǎn)生劈裂失穩(wěn)破壞，邊緣板塊與導(dǎo)墻底座相接觸上表面，易產(chǎn)生裂縫，有局部失穩(wěn)的可能。

[1]哈煥文.透水護(hù)坦上動(dòng)水荷載及其脈動(dòng)的研究[J].水利學(xué)報(bào),1964(02):14-26.

[2]張少濟(jì),楊敏.消力塘透水底板脈動(dòng)壓力特性試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2010,29(06):85-89+94.

[3]楊敏,孫勉.水墊塘透水底板上舉力試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2007(06):88-90+95.

[4]李琳.水墊塘底板水動(dòng)力荷載及穩(wěn)定性指標(biāo)研究[D].天津大學(xué),2012.

[5]中華人民共和國(guó)水利部，SL253-2000溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范，：中國(guó)水利水電出版社，

[6]彭彬,張建海,蒙承剛,陸民安.右江百色重力壩消力池結(jié)構(gòu)縫鍵槽布置方案優(yōu)化研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2004(01):19-23.