某閘壩結(jié)構(gòu)滑移破壞有限元仿真分析

熊 威，劉 智，王 姣，唐少龍，萬小強(qiáng)

（江西省水利科學(xué)研究院，江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029）

0 引 言

理論計算是水工結(jié)構(gòu)設(shè)計階段獲取結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和安全度的主要途徑。物理模型試驗技術(shù)是驗證新材料和新設(shè)計方法可靠性的實踐基礎(chǔ)[1]。與前兩種方法相比，數(shù)值模擬技術(shù)不僅能夠仿真不同荷載作用下的應(yīng)力變形，同時還能驗證新理論方法的可行性，在研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形方面更為全面與靈活[2，3]。近幾十年來，隨著人工智能和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種數(shù)值模擬方法逐漸被引入到結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形的研究中[4]。周偉等[5]采用三維彈塑性有限元方法，對溪洛渡高拱壩的壩體壩基系統(tǒng)進(jìn)行了漸進(jìn)破壞過程計算分析，取得了預(yù)期成果。陳欣等[6]利用三維非線性有限元程序?qū)﹀\屏拱壩進(jìn)行了破壞仿真分析，并探討了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的判據(jù)。李火坤等[7]基于FLOW-3D軟件建立了堤防決口水流模擬的三維數(shù)值模型，得到封堵過程中決口附近水位場和流速場分布規(guī)律，取得了較好的效果。有限元仿真方法作為數(shù)值模擬方法中的一種，已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，其對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形狀態(tài)研究也已經(jīng)相當(dāng)成熟[8]，研究水平已經(jīng)能夠一定程度地對結(jié)構(gòu)的破壞過程進(jìn)行仿真，與試驗及實際工程現(xiàn)象進(jìn)行定量比較，可更直觀的反映結(jié)構(gòu)的破壞過程。

本文以某閘壩滑移破壞實例為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場查勘、設(shè)計和施工資料建立有限元仿真模型，通過折減破壞部位接觸面上的抗剪斷參數(shù)，仿真結(jié)構(gòu)破壞過程，并探討其破壞原因。

1 工程概況

某閘壩工程是一座以改善城市水環(huán)境、增加旅游景觀為主，兼有河道整治、改善生態(tài)環(huán)境和發(fā)電等綜合效益的水利樞紐工程。工程主要由溢流壩段（含高堰泄水閘壩、低堰泄水閘壩）和廠房壩段組成，全長300.58m。其中，高堰泄水閘壩長226.50m，由22孔泄水閘和3個閘墩組成，單孔凈寬10.00m。閘壩為混凝土結(jié)構(gòu)，采用鋼質(zhì)翻板閘門擋水，溢流堰為寬頂堰，堰頂高程179.50m（黃海高程，下同），采用底流消能，消力池池長10.00m，底板厚0.80m，在消力池末端設(shè)置消力坎，坎厚1.00m，高堰泄水閘壩結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

本次滑移破壞發(fā)生在高堰泄水閘壩段（樁號0+074.08～樁號0+154.08），工程仍有低堰泄水閘壩段、發(fā)電廠房壩段以及部分高堰泄水閘壩段處于正常運(yùn)行狀態(tài)。閘壩結(jié)構(gòu)滑移破壞現(xiàn)場情況如照片1～2所示。

圖1 高堰泄水閘壩結(jié)構(gòu)剖面圖

照片1 閘壩滑移現(xiàn)場情況1

照片2 閘壩滑移現(xiàn)場情況2

2 仿真分析

2.1 仿真模型

為了探索結(jié)構(gòu)破壞的原因，本節(jié)通過建立仿真分析模型，模擬工程實際工作性態(tài)及其滑移過程。高堰泄水閘結(jié)構(gòu)在基底及上下游方向延伸約1.5倍閘墩高度形成地基，模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)164 237個，單元數(shù)149 872個，模型如圖2所示。本次結(jié)構(gòu)破壞過程中鋼筋未對閘墩位移起約束作用，因此仿真模型中未設(shè)立鋼筋單元。本次仿真計算設(shè)置的主要潛在滑動面及開裂面包括：堰體下部C10埋石混凝土與上部C20混凝土堰面之間的結(jié)合部位、二期C30混凝土與堰面C20混凝土之間結(jié)合部位、二期C30混凝土與下部C10埋石混凝土之間的結(jié)合部位、上部1.00m厚C20混凝土堰面兩次澆筑之間的結(jié)合部位。接觸面模型如圖3所示。

圖2 高堰泄水閘壩結(jié)構(gòu)有限元仿真模型

圖3 結(jié)構(gòu)潛在滑動面及開裂面接觸單元模型示意圖

2.2 材料力學(xué)參數(shù)

由于缺少材料力學(xué)性能參數(shù)的相關(guān)資料，本次仿真計算材料參數(shù)按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008）混凝土標(biāo)號建議值進(jìn)行取值，具體參數(shù)如表1所示。

本次閘壩破壞形式不同于建基面滑動或地基深層滑動，潛在滑動面出現(xiàn)在混凝土分層澆筑的結(jié)合部位。由于無法對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的層間抗剪斷參數(shù)開展原位試驗，本次仿真結(jié)構(gòu)潛在滑動面的層間抗剪斷參數(shù)參照《碾壓混凝土壩設(shè)計規(guī)范》（SL 314-2018）進(jìn)行估值，我國部分碾壓混凝土工程層間面抗剪斷參數(shù)如表2所示，經(jīng)綜合比較分析后，工程潛在滑動面的層間抗剪斷參數(shù)基準(zhǔn)值采用摩擦系數(shù)和凝聚力。

2.3 邊界條件及荷載組合

本次仿真計算采用基于不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的混合算法，在模型水平方向施加法向約束，地基底部施加三向約束，潛在張開、滑移塊體部位不施加約束。計算荷載包括閘門承受的靜水荷載及結(jié)構(gòu)自重荷載，破壞時壩前水位為183.23m，閘門擋水水頭3.73m，通過工程潛在滑動面的層間抗剪斷參數(shù)變化將本次仿真分析分為3個工況，其荷載組合詳見表3。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

表2 國內(nèi)部分工程碾壓層間面抗剪斷參數(shù)表（現(xiàn)場原位試驗）

表3 仿真分析各工況荷載組合

計算分為兩個運(yùn)行塊進(jìn)行，第一塊僅地基參與計算，計算的結(jié)果位移清零，應(yīng)力不清零，作為下一塊計算時的初始狀態(tài)，即扣除地基沉降，但保持初始地應(yīng)力；第二塊地基與結(jié)構(gòu)共同參與運(yùn)算，分析結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)。

2.4 仿真結(jié)果分析

通過改變層間抗剪斷參數(shù)，總結(jié)不同參數(shù)對工程破壞形態(tài)以及位移量值的影響，初步判斷實際破壞發(fā)生時結(jié)構(gòu)潛在滑動面部位的力學(xué)性能指標(biāo)。在充分考慮結(jié)構(gòu)間相互制約作用的同時簡化仿真計算量，提高計算效率。將溢流堰面上游部位按模型分區(qū)將節(jié)點(diǎn)打斷，閘墩之間的堰面潛在滑動面抗剪斷參數(shù)采用一較大的固定值，不隨其它接觸面抗剪斷參數(shù)進(jìn)行折減。

（1）工況1仿真結(jié)果分析

工況1時單段閘壩結(jié)構(gòu)變形示意圖見圖4～5，結(jié)構(gòu)各向位移量值均處于有限元范疇的微小變形階段，其中順?biāo)飨蛭灰谱畲笾禐?.55mm，垂直水流向位移最大值為8.14mm，均出現(xiàn)在閘門部位。靜水壓力作用下，閘門、閘墩及下游溢流堰面整體向下游方向移動，其中下游溢流堰面在閘墩推力及接觸面上約束共同作用下，尾部輕微變形，此時結(jié)構(gòu)整體處于正常穩(wěn)定運(yùn)行。因此，當(dāng)層間抗剪斷參數(shù)采用基準(zhǔn)值時，潛在滑動面及開裂面均保持完好。

圖4 工況1時單段閘壩結(jié)構(gòu)變形示意圖

圖5 工況1時整體閘壩結(jié)構(gòu)變形示意圖

（2）工況2仿真結(jié)果分析

工況2時閘壩結(jié)構(gòu)變形示意圖見圖6～7，結(jié)構(gòu)各向位移量值已脫離有限元微小變形范疇，其中順?biāo)飨蛭灰谱畲笾禐?15.48mm，豎直水流位移最大值為59.03mm，均出現(xiàn)在閘門部位。靜水壓力作用下，閘門整體揚(yáng)起并向下游方向移動，推動閘墩與兩側(cè)溢流堰面和底部一期混凝土之間發(fā)生滑動，下游溢流堰面在閘墩位移作用下在尾部區(qū)域開裂，并形成與上游溢流堰面之間的貫穿裂縫，導(dǎo)致脫開形成一塊準(zhǔn)脫離體，其破壞形態(tài)與現(xiàn)場實際觀測形態(tài)相似，但位移量較現(xiàn)場觀測數(shù)值低。因此，當(dāng)層間抗剪斷參數(shù)進(jìn)行0.5倍折減時，潛在滑動面及開裂面均出現(xiàn)一定程度的脫開現(xiàn)象。

（3）工況3仿真結(jié)果分析

圖6 工況2時單段閘壩結(jié)構(gòu)變形示意圖

圖7 工況2時整體閘壩結(jié)構(gòu)變形示意圖

工況3時閘壩結(jié)構(gòu)變形示意圖見圖8～9，各向位移量值相比工況2進(jìn)一步增大，其中順?biāo)飨蛭灰谱畲笾禐?07.85mm，垂直水流向位移最大值為146.60mm，均出現(xiàn)在閘門部位。靜水壓力作用下閘門整體揚(yáng)起并推動閘墩及下游溢流堰面向下游方向整體移動，此時閘門、閘墩與下游溢流堰面形成了整體的脫離塊體。此時可初步判斷結(jié)構(gòu)已發(fā)生嚴(yán)重破壞，其破壞形態(tài)、位移量均與現(xiàn)場實際觀測形態(tài)相似。因此，當(dāng)層間抗剪斷參數(shù)進(jìn)行0.2倍折減時，潛在滑動面及開裂面均完全脫開。

各工況下結(jié)構(gòu)變形最大位移值見表4。

圖8 工況3時單段閘壩結(jié)構(gòu)變形示意圖

圖9 工況3時整體閘壩結(jié)構(gòu)變形示意圖

表4 各工況下結(jié)構(gòu)變形最大位移值 mm

3 結(jié) 論

本文根據(jù)某閘壩汛期滑移破壞情況，結(jié)合現(xiàn)場查勘、設(shè)計和施工資料建立有限元仿真模型，將仿真分析結(jié)果與工程現(xiàn)場進(jìn)行對比，結(jié)果基本吻合，驗證了有限元仿真分析方法的可靠性。

由仿真結(jié)果可知，潛在滑動面及開裂面的層間抗剪斷參數(shù)約在，f'=0.2～0.5，c'=0.2～0.5MPa，遠(yuǎn)低于正常值。因此，層間結(jié)合部位抗剪斷性能降低是導(dǎo)致本次閘壩出現(xiàn)滑移破壞的主要原因。