考慮庫水位循環(huán)升降的面板堆石壩應(yīng)力變形分析

王晨輝

（新疆建源工程有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

近年來,我國土石壩的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大,壩高的迅速增加使得大壩的變形（包括運(yùn)行過程中的長期變形）問題更加突出[1]。壩體的長期變形主要包括蓄水運(yùn)行期間水位變化引起的壩料干濕循環(huán)變形（濕化變形）與水荷載變化產(chǎn)生的變形。土石壩的變形是一個非常復(fù)雜的問題[2]。以面板堆石壩為例,在自重和庫水位的影響下,壩體會發(fā)生復(fù)雜的固結(jié)、濕化,尤其當(dāng)庫水位發(fā)生升降時,上游壩殼由于浸透飽和引起濕陷變形,材料強(qiáng)度和變形參數(shù)均發(fā)生改變,使定量研究變形規(guī)律增加了難度[3]。堆石壩在運(yùn)行過程中,庫水位的漲落會引起堆石體內(nèi)應(yīng)力的反復(fù)變化,這種反復(fù)加卸載的作用不同于地震動力循環(huán)荷載過程,但同樣會對堆石壩的長期變形有影響。本文以某混凝土面板堆石壩為對象,研究在濕化變形和不同庫水位之間循環(huán)升降變化對面板堆石壩的變形影響[4]。

2 工程簡介

某混凝土面板堆石壩防浪墻頂高程為2011.3 m,壩頂高程2010 m,最大壩高132.2 m,壩頂全長424 m,壩頂寬10 m,壩頂上游側(cè)設(shè)5.8 m高L形混凝土防浪墻,上游壩坡1∶1.4,在1940 m高程以下的面板上,加設(shè)頂寬10 m坡度1∶2的土石壓坡體,下游壩坡設(shè)有10 m寬的“之”字形上壩公路,下游局部壩坡1∶1.5,綜合壩坡1∶1.81。鋼筋混凝土面板頂端厚度為0.3 m,底部最大計(jì)算厚度為0.76 m。面板設(shè)置豎向縫,受拉區(qū)豎縫間距6 m,受壓區(qū)豎縫間距12 m,沿高程方向不設(shè)縫。面板混凝土標(biāo)號為C25,面板內(nèi)配置一層雙向鋼筋。

3 計(jì)算模型

根據(jù)該工程的平面布置圖和大壩橫剖面圖建立有限元模型,計(jì)算模型取某一面板所在的整個壩段,沿壩軸線方向?qū)挾葹?2 m。計(jì)算坐標(biāo)系為：順?biāo)鞣较驗(yàn)閄軸方向,指向下游為正；壩軸線方向?yàn)閅軸方向,指向左岸為正；鉛直方向?yàn)閆軸方向,向上為正；坐標(biāo)原點(diǎn)在壩體的最底部中間位置。模型地基計(jì)算范圍沿水流方向向上、下游和深度方向延伸140 m,模型見圖1。單元類型全部采用空間六面體八節(jié)點(diǎn)單元,將壩體和地基離散后共得到單元有20445 個,節(jié)點(diǎn)24381 個。在面板與墊層之間設(shè)置Goodman無厚度接觸單元。

圖1 面板堆石壩壩體及地基有限元模型

混凝土面板堆石壩堆石體材料模型均采用鄧肯-張E-B模型,材料參數(shù)采用該水電站混凝土面板堆石壩壩體填筑料試驗(yàn)結(jié)果,干態(tài)的材料參數(shù)見表1,面板的彈性模量E=28 GPa,泊松比 =0.2,密度ρ=2450 kg/m3；防浪墻、趾板的材料參數(shù)取值與混凝土面板相同[5],取基巖的彈性模量E=10 GPa,泊松比 =0.25,ρ=2450 kg/m3。

表1 面板堆石壩壩料鄧肯張模型（E-B）參數(shù)表（干態(tài)）

4 結(jié)果計(jì)算

4.1 竣工期計(jì)算結(jié)果及分析

圖2和圖3為竣工期面板堆石壩位移圖,壩體最大沉降值為78.3 cm,出現(xiàn)在大約2/5壩高處,位于次堆石區(qū)；壩體上游部位的水平位移向上游,其最大值為22.3 cm,發(fā)生在約1/3壩高靠近上游壩面附近,壩體下游部位的水平位移向下游,其最大值為20.0 cm,發(fā)生在約2/5壩高處,位于次堆石區(qū)。

圖2 竣工期面板堆石壩水平方向位移圖(單位: cm)

圖3 竣工期面板堆石壩鉛直方向位移圖(單位: cm)

圖4 和圖5 可以看出,竣工期壩體大主應(yīng)力全部為壓應(yīng)力,最大值為2293.0 kPa,出現(xiàn)在壩體的最底部中間位置；小主應(yīng)力全部為壓應(yīng)力,最大值為766.9 kPa,亦出現(xiàn)在壩體的最底部中間位置。壩體大小主應(yīng)為力均隨深度的增加而增加。

圖4 竣工期面板堆石壩大主應(yīng)力分布圖(單位: kPa)

圖5 竣工期面板堆石壩小主應(yīng)力分布圖(單位: kPa)

4.2 蓄水期計(jì)算結(jié)果及分析

為分析堆石體濕化變形的影響,將計(jì)入濕化變形的有限元計(jì)算結(jié)果與不計(jì)入濕化變形的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總,具體見表2。

表2 面板堆石壩濕化變形影響分析表

由表2 可以看出,考慮濕化變形作用對大壩的應(yīng)力及位移均有影響。計(jì)入濕化變形后,壩體的水平位移及鉛直向位移均有所增加；壩體的大小主應(yīng)力也有所增大,其中大主應(yīng)力的極值增加較小主應(yīng)力明顯。

4.3 庫水位循環(huán)升降對面板堆石壩應(yīng)力變形的影響分析

（1）壩體應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析

通過有限元計(jì)算,得出了混凝土面板堆石壩在庫水位分別循環(huán)升降1 次、5 次、10 次、20 次的沉降、水平位移、大小主應(yīng)力特征值見表3。由表3 可以看出,考慮庫水位循環(huán)升降對壩體的應(yīng)力與位移均有影響?？紤]水荷載循環(huán)變化作用后,壩體向上游的水平位移極值隨庫水位循環(huán)次數(shù)的增加而減小,向下游的水平位移極值隨庫水位循環(huán)次數(shù)的增加而增大；垂直向的沉降最大值隨庫水位循環(huán)次數(shù)的增加而增大,此時面板可能會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象,應(yīng)引起注意；考慮水荷載循環(huán)變化作用后,壩體的大小主應(yīng)力隨庫水位循環(huán)次數(shù)的增加也有不同程度的增加；大小主應(yīng)力分布均勻,沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),也沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)；計(jì)入濕化變形作用庫水位循環(huán)升降亦有同樣的變化規(guī)律；證明堆石體的應(yīng)力和變形隨著庫水位循環(huán)升降次數(shù)的增加而增大,應(yīng)在混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析中考慮該因素的影響。

表3 壩體應(yīng)力變形特征值

（2）面板應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析

面板堆石壩面板考慮水荷載循環(huán)變化的應(yīng)力變形有限元計(jì)算結(jié)果見表4。由表4 可以看出,考慮庫水位循環(huán)升降變化的堆石體變形對面板的應(yīng)力及撓度均有影響?？紤]水荷載循環(huán)變化作用之后,面板的應(yīng)力及撓度極值均增大。面板的撓度變化是隨著庫水位循環(huán)升降次數(shù)的增加而增大；隨著庫水位循環(huán)升降次數(shù)的增加,面板絕大部分表現(xiàn)為受壓狀態(tài),面板的順坡向應(yīng)力值不斷增大,面板的軸向應(yīng)力值不斷增大。計(jì)入濕化變形作用庫水位循環(huán)升降亦有同樣的變化規(guī)律,考慮堆石體長期變形后,面板的軸向拉應(yīng)力最大值達(dá)到了1.92 MPa,超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度值,有開裂的危險,證明考慮水荷載循環(huán)變化的堆石體變形對混凝土面板的應(yīng)力狀態(tài)有影響。

表4 面板應(yīng)力變形特征值

5 結(jié)論

本文通過對某實(shí)際工程進(jìn)行有限元模擬,分析了計(jì)入濕化變形影響的庫水位循環(huán)升降和不計(jì)入濕化變形影響庫水位循環(huán)升降情況下壩體及面板的應(yīng)力變形規(guī)律,得出堆石體長期變形對壩體及面板應(yīng)力變形的影響。

（1）考慮庫水位循環(huán)升降對壩體和面板的應(yīng)力及位移也均有影響?？紤]庫水位循環(huán)升降之后,壩體向下游的水平位移、鉛直位移以及大小主應(yīng)力均較蓄水期有所增大。面板的撓度、水平位移、鉛直位移及應(yīng)力較蓄水期有所增大。

（2）考慮堆石體長期變形對壩體和面板的應(yīng)力及位移也均有影響。計(jì)入濕化變形庫水位循環(huán)升降20 次后,面板撓度最大值為36.5 cm?？梢妿焖坏难h(huán)升降變化對面板的撓度變化影響明顯。所以加強(qiáng)面板材料的抗循環(huán)荷載能力就顯現(xiàn)得較為重要。該混凝土面板堆石壩的壩體應(yīng)力及變形性狀正常,變形值在可以接受的范圍內(nèi)。但是面板的應(yīng)力變形發(fā)生了顯著的變化,撓度最大值達(dá)到了36.5 cm,軸向拉應(yīng)力達(dá)到了1.92 MPa,產(chǎn)生了危險區(qū)域,在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)該引起注意。