符碧君
(景德鎮(zhèn)玉田水庫管理處,江西 景德鎮(zhèn) 333000)
對于巖土體材料,水是影響其抗剪性質(zhì)最主要的因素,土石壩在長期的水位變化過程中,壩體內(nèi)部發(fā)生滲流作用,影響著土石壩材料特性,進(jìn)而對土石壩的穩(wěn)定性造成影響[1-3]。
由于巖土體特殊的性質(zhì),其變形處于非線性的,這種非線性變化不僅與自身材料屬性有關(guān),還受到外在荷載等的影響[4-5]。土石壩的應(yīng)力應(yīng)變受到多種因素的影響,土石壩的填筑方式對土石壩的變形與應(yīng)變影響較為明顯,不同的水位情況下,土石壩的應(yīng)力應(yīng)變也將有很大差異[6-8]。
本文利用有限元Abaqus軟件,對黏土心墻壩體進(jìn)行分析,對不同填筑方式和水位變化下的土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。
某小型農(nóng)田水庫總庫容900萬m3,主要任務(wù)是為該地區(qū)的農(nóng)田提供灌溉需要,大壩高50m,正常情況下,庫容量810萬m3,后期因人口遷移,村莊合并,農(nóng)田統(tǒng)一管理,原水庫庫容難以滿足實(shí)際灌溉需求,需要對水庫進(jìn)行擴(kuò)建。擬設(shè)計(jì)水庫庫容1600萬m3,擬采用摻礫黏土心墻土石壩,壩頂寬6m,壩高50m,心墻采用混凝土蓋板,設(shè)置兩層反濾層,壩殼料為堆石體。
對研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理,選取庫岸的某個典型斷面進(jìn)行分析,對坡面進(jìn)行適當(dāng)簡化,庫岸斷面結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1 庫岸地質(zhì)剖面圖
庫岸岸坡為黏土心墻土石壩,依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)及規(guī)范[9],對巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值,土體采用非線彈性的鄧肯張模型,壩坡相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)如表1。
表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)
由于巖土體的非線性特性,土石壩的變形受到多種因素影響,土石壩的填筑方法對其應(yīng)力變形影響較大,對利用Phase2有限元軟件,對不同填筑方法情況下黏土心墻土石壩進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析。
在壩體填筑過程中,采用的加載方式為一次性加載,即在壩體填筑完成后對壩體施加荷載。一次性加載時壩體最大斷面如圖2。
圖2 一次性加載壩體最大斷面
根據(jù)圖2得出,①壩體的最大豎向位移為壩體中部,最大位移38.72cm,壩體豎向位移以壩軸線為對稱分布,離壩體中部越遠(yuǎn),壩體的沉降量越小,壩高越大,豎向沉降量越大;②壩體水平方向位移有上游向下游移動,壩體中部位移沒有發(fā)生明顯變化,壩體上游水平位移最大值7.41cm,下游水平位移最大值7.41cm;③壩體的最大主應(yīng)力以壩軸線為對稱分布,壩腳的最大主應(yīng)力最小,為0.199MPa,壩軸線底部的最大主應(yīng)力最大,為0.392MPa,大壩處于受壓狀態(tài);壩體的最小主應(yīng)力以壩軸線為對稱分布,壩腳的最小主應(yīng)力最小,為7.123kPa,土石壩心墻與壩體連接處最小主應(yīng)力最大,為0.844MPa,根據(jù)云圖顯示,土石壩呈現(xiàn)拱效應(yīng)。
在壩體填筑過程中,采用的加載方式為分層加載,共分為5級,每級加載10m。施工期分層加載時壩體最大斷面如圖3。
圖3 分層加載時壩體最大斷面
由圖3可知:①壩體的最大豎向位移為壩體中部,最大位移21.52cm,壩體豎向位移以壩軸線為對稱分布,離壩體中部越遠(yuǎn),壩體的沉降量越?。虎趬误w水平方向位移有上游向下游移動,壩體中部位移沒有發(fā)生明顯變化,壩體上游水平位移最大值2.53cm,下游水平位移最大值2.53cm;③壩體最大主應(yīng)力以壩軸線為對稱分布,壩腳的最大主應(yīng)力最小,為0.132MPa,壩軸線底部的最大主應(yīng)力最大,為0.443MPa,大壩處于受壓狀態(tài);壩體的最小主應(yīng)力以壩軸線為對稱分布,壩腳的最小主應(yīng)力最小,為8.124kPa,土石壩心墻與壩體連接處最小主應(yīng)力最大,為0.877MPa,土石壩呈現(xiàn)拱效應(yīng)。
針對上述兩種不同加載方式下壩體計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行對比分析。計(jì)算結(jié)果對比如表2。
表2 計(jì)算結(jié)果對比
由表2可知,不同加載方式情況下,土石壩的沉降量有明顯區(qū)別,水平位移相差不大,最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布情況大致相同,沿壩軸線對稱分布。由此可見,土石壩在填筑過程中,采用分層填筑方式,能有效降低土石壩的沉降,減小土石壩變形量。
分層填筑土石壩后,蓄水過程中,庫水位上升,計(jì)劃40d蓄水到40m高度,對土石壩應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。
蓄水時壩體最大斷面位移計(jì)算如圖4。
圖4 蓄水時壩體最大斷面位移計(jì)算
土石壩經(jīng)過分層填筑后,水庫進(jìn)行蓄水,蓄水結(jié)束后壩體最大豎向位移21.79cm,最大水平位移3.43cm,相比于竣工期,豎向位移稍有增加,水平位移增加量較大,由此可知,壩體的沉降主要由填筑方式引起的。
蓄水時壩體最大斷面應(yīng)力計(jì)算如圖5。
圖5 蓄水時斷面應(yīng)力計(jì)算
從圖5可知,水庫蓄水后,壩體最大壓應(yīng)力0.461MPa,壩體最大拉應(yīng)力0.322MPa,蓄水后,壩體的最大主應(yīng)力分布不再呈現(xiàn)對稱分布;水庫蓄水后,最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力,大小9.09MPa,相比于竣工期稍有提高,最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力,大小0.171MPa。水庫蓄水后,應(yīng)力分布不再呈現(xiàn)對稱分布,拱效應(yīng)消失。
水庫蓄水后,逐漸降低庫水位,對庫水位下降過程中的土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。
水位下降時壩體最大斷面位移計(jì)算如圖6。
水位下降后,壩體的最大豎向位移為22.96cm,相比于蓄水時的最大豎向位移21.79cm有所增加,而水平向位移幾乎不變。
圖6 水位下降時壩體最大斷面位移計(jì)算
水位下降時壩體最大斷面應(yīng)力計(jì)算如圖7。
水位下降后,在壩體上游最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力有明顯變化,但在壩體下游,最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力幾乎不變。
(1)利用有限元Abaqus軟件,對黏土心墻壩體進(jìn)行分析,對不同填筑方式和水位變化下的土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。
(2)對一次性加載和分層加載兩種方式下的土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析,計(jì)算得到分層加載時,土石壩的沉降量21.52cm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一次性加載時的沉降量,分層加載的填筑方式更適合工程需要。
(3)水庫蓄水后,土石壩豎向位移無明顯變化,水平位移增加較大,上游壩體的應(yīng)力影響較大,下游壩體應(yīng)力影響較小,拱效應(yīng)消失。
(4)水位下降后,土石壩的豎向位移和水平位移無明顯變化,在壩體上游最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力變化明顯,但在壩體下游,最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均無明顯變化,水位下降時對上游壩坡的穩(wěn)定不利,需要加強(qiáng)防護(hù)。