官帽舟瀝青混凝土心墻混合壩三維非線性有限元分析

官帽舟瀝青混凝土心墻混合壩三維非線性有限元分析

1壩體結(jié)構(gòu)及壩體開挖官帽船水庫位于四川省馬邊河上游，采用瀝青路將水庫與瀝青路作為水庫混合。壩頂高程679m,最大壩高109m,防浪墻頂高程680.2m,壩頂軸線長度為242.8m。壩體剖面與上游圍堰結(jié)合,上游圍堰需要考慮全年圍堰和臨時(shí)施工渡汛,并與施工組織有關(guān)。結(jié)合迎水側(cè)坡分4級,在高程638m處設(shè)24.55m寬的馬道,在高程619m處設(shè)3m寬的馬道,在高程602.2m處設(shè)10m寬的馬道,坡比由上至下分別為1:2、1:2.25、1:2.25、1:2.25。602.2m高程為與上游枯期圍堰下游戧堤結(jié)合的壩體。背水側(cè)壩坡分4級,在高程649m和619m處設(shè)5m寬的馬道,在高程602m處設(shè)3m寬的馬道,坡比由上至下分別為1:2.25、1:2.25、1:2.25、1:1.75。泄洪開挖泥巖料主要布設(shè)在壩體下游干燥區(qū),壩體總填筑量260萬m3。河床順?biāo)飨驂误w標(biāo)準(zhǔn)剖面見圖1。2瀝青混凝土心墻存在位移瀝青混凝土心墻壩的防滲體系是柔性材料,即瀝青混凝土。瀝青混凝土是一種典型的粘彈性流變材料,具有較強(qiáng)的自愈能力,抗?jié)B能力高,其滲透系數(shù)不大于1×10-8cm/s。瀝青混凝土心墻相當(dāng)于壩體內(nèi)部一個(gè)懸臂梁,依靠壩體兩側(cè)壩殼料的向下重力產(chǎn)生的圍壓,盡量保持其瀝青混凝土心墻的鉛垂度,從而使其基本上處于受壓狀態(tài),同時(shí)在一定程度上能承受相對較大的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。在蓄水時(shí),受上游水推力作用,瀝青混凝土心墻向下游產(chǎn)生位移,混凝土基座作為懸臂梁的固定端,壩頂位移最大,但受下游壩殼堆石料的阻擋作用,瀝青混凝土心墻向下游位移較小,產(chǎn)生的拉應(yīng)力均小于拉伸強(qiáng)度。由于瀝青混凝土心墻上下游3m范圍內(nèi)設(shè)置級配較好、相對較硬的過渡料,形成拱作用,降低了心墻應(yīng)力,有利于防止瀝青混凝土心墻水力劈裂。為了保持蓄水后瀝青混凝土心墻基本處于受壓狀態(tài),下游一定范圍內(nèi)的堆石料剛度應(yīng)較大,因而巖石的干密度、飽和抗壓強(qiáng)度均應(yīng)較高。但考慮竣工后,緊鄰瀝青混凝土心墻上游一定范圍內(nèi)的壩殼巖石飽和抗壓強(qiáng)度較低,壩體自重變形較大,受下游壩殼堆石料的上游推力作用,瀝青混凝土心墻懸臂梁將向上游產(chǎn)生位移變形。瀝青混凝土心墻與兩岸連接相對容易,可以利用心墻的自重壓力,增加結(jié)合部位的抗?jié)B能力。在影響瀝青混凝土心墻應(yīng)力較小、下游水平排水帶以上的壩體干燥填筑區(qū),填筑剛度較小、變形較大的軟巖,以便充分利用泄洪建筑物開挖料。由于軟巖料對環(huán)境變化的敏感性很強(qiáng),濕化變形大,因此在死水位以下、影響瀝青混凝土心墻應(yīng)力較小的上游填筑區(qū)填筑軟巖與硬巖的混合料,而在上游水位變化區(qū)內(nèi)填筑濕化變形小的硬巖,以便使壩殼料基本上處于自重受壓鉛垂向變形,而水平向位移盡量小。3計(jì)算理論和模型墻等本構(gòu)模型本工程筑壩料(石渣混合料、石渣料、堆石料、瀝青心墻等)本構(gòu)模型采用鄧肯—張(E-B)模型,混凝土防浪墻以及混凝土底座等結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)模型,服從廣義虎克定律。采用增量初應(yīng)變法迭代求解位移。單元剖分技術(shù)本工程三維非線性有限元的基本單元采用八結(jié)點(diǎn)六面體單元,填充單元包括六結(jié)點(diǎn)五面體單元和四結(jié)點(diǎn)四面體單元兩種。接觸面采用無厚度Goodman單元,接縫采用無厚度無寬度線單元。采用控制斷面超單元自動(dòng)剖分技術(shù),首先形成超單元,進(jìn)而加密剖分形成有限單元?？刂破拭娓鶕?jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、分級加載和形成超單元的要求選取。有限元計(jì)算模型見圖2。壩體加載概況根據(jù)壩體施工進(jìn)度安排,從大壩建基面開始至壩頂逐步上升,一期加載上游枯水圍堰和壩體全年圍堰,二期加載壩體至628.5m高程,三期加載壩體至壩頂,其中一期和二期共分5級進(jìn)行加載,三期分4級進(jìn)行加載,總共分9級荷載模擬大壩填筑施工進(jìn)程;在蓄水期,分7級荷載模擬水庫水位逐漸上升的過程,每級荷載水位上升約15m。全部共有16級加載完成壩體填筑和蓄水。計(jì)算時(shí),每一級荷載均一次性加載,采用中點(diǎn)增量法,以便較好地模擬加載過程。4瀝青混凝土性能通過對推薦配合比的瀝青混凝土進(jìn)行拉伸、抗壓試驗(yàn)、水穩(wěn)定試驗(yàn),彎曲、滲透性能及靜力三軸試驗(yàn),瀝青混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)成果見表1、2,其各項(xiàng)性能都可滿足高壩瀝青混凝土心墻的要求。通過粗顆粒料的靜力三軸試驗(yàn),筑壩填筑料的靜力學(xué)性能參數(shù)見表2,泥巖料的φ0和體變模量參數(shù)K偏小。5電壓損失分析通過三維非線性有限元靜力分析,得出壩體的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。壩體沉降和壩體填筑變形等值線分析壩體變形等值線見圖3-6。堆石體最大沉降都發(fā)生在河床中部靠近壩軸線的下游壩殼內(nèi),且高程大約為654m處?？⒐て?壩體的最大垂直位移(沉降)為-1435.5mm,約占最大壩高的1.32%;順河向指向上游的最大水平位移為-482mm,指向下游的最大水平位移為756mm;沿壩軸線方向的最大水平位移為111mm,方向指向左岸,這主要是由于河谷的輕微不對稱引起的。蓄水期,壩體的最大垂直位移(沉降)為-1485.9mm,竣工沉降后最終沉降為-5.0mm;順河向指向上游的最大水平位移為-232mm,指向下游的最大水平位移為926mm;沿壩軸線方向的最大水平位移為134mm,方向指向左岸。瀝青混凝土心墻變形等值線見圖7-10?？⒐て?瀝青混凝土心墻的最大順河向水平位移為向上游-5.3mm,向下游102mm;蓄水期,瀝青混凝土心墻的最大順河向水平位移為向下游483mm,瀝青混凝土心墻最大順河向位移約占最大壩高的0.44%,說明瀝青混凝土心墻順河向位移很小。瀝青混凝土心墻撓度曲線見圖11。從瀝青混凝土心墻的撓度曲線(順河向水平位移)來看,竣工期,瀝青混凝土心墻在高程600-660m之間變形較大,且水平位移指向下游,在高程602～660m之間,下游壩殼料主要為相對較軟的泥巖料,從而形成了上游相對較硬的壩殼料對下游較軟壩殼料的擠壓趨勢,隨著壩體填筑高度的增加,瀝青混凝土心墻向下游的水平位移增大;蓄水期,在水壓力的作用下,瀝青混凝土心墻向下游的水平位移較大,且位移值隨著壩體高度的增加而不斷增大。瀝青心墻壩體應(yīng)力壩體應(yīng)力等值線見圖12-15?？⒐て?壩體的第一主應(yīng)力為2583kPa,第三主應(yīng)力為1470kPa;蓄水期,壩體的最大主應(yīng)力為2655kPa,第三主應(yīng)力為1355kPa。壩體最大應(yīng)力均發(fā)生在壩體底部附近,越靠近壩軸線,第一主應(yīng)力越大。蓄水期由于水壓力的作用,上游堆石體在浮托力的作用下單元應(yīng)力小于竣工期的相應(yīng)單元的應(yīng)力,下游堆石體的單元應(yīng)力大于相應(yīng)單元的應(yīng)力值,總體上應(yīng)力的變化不大。壩體應(yīng)力基本上按照壩高分布,且沿瀝青心墻在上下游基本成對稱分布,說明壩體應(yīng)力主要是壩體自重產(chǎn)生。由于瀝青心墻混凝土底座嵌入壩體,因此,混凝土底座周圍的壩體局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。該區(qū)域采用模量較低的填料較為有利。瀝青混凝土心墻應(yīng)力等值線見圖16-21。瀝青混凝土心墻的最大偏壓應(yīng)力在竣工期和蓄水期分別為1006kPa和1096kPa,均小于瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度2.54MPa,因此瀝青混凝土不會(huì)壓壞。竣工期和蓄水期,瀝青混凝土心墻基本上都處于受壓狀態(tài),僅在左、右岸頂部出現(xiàn)小范圍的拉應(yīng)力區(qū),拉應(yīng)力最大值為258kPa,小于拉伸強(qiáng)度470kPa,說明瀝青混凝土不會(huì)水力劈裂。蓄壩期壩體應(yīng)力壩體應(yīng)力水平見圖22-23?？⒐て?壩體的應(yīng)力水平最大值約為0.90;蓄水期,壩體的應(yīng)力水平最大值約為0.95,均小于1。從應(yīng)力水平分布來看,盡管竣工期和蓄水期壩體各部位的應(yīng)力水平均較高,但壩體內(nèi)部沒有出現(xiàn)明顯的剪切破壞區(qū)，表明壩體在目前荷載情況下是穩(wěn)定的。壩料參數(shù)對瀝青混凝土心墻的影響為了考慮施工因素,研究不同壩料參數(shù)對壩體工作性態(tài)的影響,對施工筑壩控制參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,即將壩料鄧肯—張模型的主要參數(shù)K和Kb分別增大10%和減小10%作對比計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,壩料參數(shù)降低,堆石體的整體力學(xué)性能相對較差,彈性模量系數(shù)偏低,因此,壩體的整體變形較大,導(dǎo)致瀝青混凝土心墻的變形增加。以瀝青混凝土心墻最大撓度為例,在參數(shù)增大10%、設(shè)計(jì)和減小10%3種情況下,蓄水期瀝青混凝土心墻的最大撓度分別為428、474mm和529mm。通過對比計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn),壩料的力學(xué)參數(shù)對整個(gè)壩體的變形特性有較大的影響。壩體填料的密實(shí)度提高,其模量系數(shù)較大,則壩體變形較小,瀝青混凝土心墻的變形和應(yīng)力也隨之減小。因此,提高壩體的密實(shí)度是有利的。6瀝青混凝土心墻壩體分區(qū)和壩體變形放從以上計(jì)算分析可得,本工程壩體變形適度,瀝青混凝土不會(huì)發(fā)生水力劈裂破壞,官帽舟瀝青混凝土心墻混合壩能較充分利用泄洪開挖的軟巖利用料,設(shè)計(jì)合理和可行。從瀝青混凝土材料模型和壩體設(shè)計(jì)理論方面,仍有以下兩方面值得研究:a)瀝青混凝土屬于粘彈塑性材料,其力學(xué)性能復(fù)雜,變形能力強(qiáng),本工程采用鄧肯—張(E-B)模型計(jì)算壩體應(yīng)力應(yīng)變分析,在一定程度上未能足夠反映出瀝青混凝土心墻的適應(yīng)變形能力,因此壩體分區(qū)仍有優(yōu)化余地。b)