心墻壩三維有限元分析

心墻壩三維有限元分析

在當(dāng)?shù)氐男膲λ畮熘?，心墻拱和心墻裂縫是影響水庫安全的重要因素。水庫的適當(dāng)壓力變形，尤其是心臟壁上的間隙水壓的發(fā)展和消除，對提高設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有重要意義。黑河金盆水利樞紐位于西安市周至縣城南約14km的黑河峪口處,攔河大壩為砂礫石壩殼粘土心墻壩,最大壩高為128m,大壩設(shè)計(jì)剖面如圖1所示。筆者采用有效應(yīng)力法三維有限元對大壩施工填筑及蓄水運(yùn)行進(jìn)行了仿真計(jì)算,分析研究了不同時期大壩的應(yīng)力變形特性。為了使計(jì)算結(jié)果更能符合客觀實(shí)際,計(jì)算時考慮了筑壩材料的流變性以及上游壩殼的浸水變形?？辈旖Y(jié)果表明,心墻土料場土料天然含水量普遍太高,要達(dá)到設(shè)計(jì)填筑干密度,土料翻曬工作量很大。為了探討在較高含水量下填筑心墻的可能性,本文分析研究了心墻采用較低填筑密度情況時大壩的應(yīng)力應(yīng)變性狀,特別是心墻的應(yīng)力變形特性。同時,筆者還分析研究了心墻在設(shè)計(jì)干密度時大壩的應(yīng)力變形性狀。1計(jì)算方法1.1法三維有限元應(yīng)力變形計(jì)算采用按比奧固結(jié)理論編制的有效應(yīng)力法三維有限元程序BISS3N進(jìn)行。土體本構(gòu)模型選用DuncanE-B模型,堆石料的流變模型見文獻(xiàn),堆石料的浸水變形采用濕化模型進(jìn)行計(jì)算。1.2接觸面單元的設(shè)置面板壩應(yīng)力計(jì)算中,面板混凝土通常按彈性模型考慮。由于面板混凝土與墊層料間剛度相差懸殊,故須設(shè)置接觸面單元以模擬兩者之間的相互作用。接觸面單元有薄層單元和無厚度單元兩種,目前應(yīng)用較多的是無厚度Goodman單元。Goodman單元法向勁度采用如下規(guī)定:當(dāng)接觸面受壓時取較大值108kPa/m;反之,接觸面受拉時取較小值100kPa/m。面板接縫采用分離縫模擬,即在縫之兩側(cè)布置對點(diǎn),對點(diǎn)允許張開和發(fā)生相對錯動,但不允許嵌入。具體計(jì)算時流變和由蓄水引起的附加應(yīng)變可當(dāng)作初應(yīng)變對待。2壩體應(yīng)力變形特性分析本文共分三種方案進(jìn)行計(jì)算分析。第一方案考慮心墻采用較低的填筑干密度,計(jì)算中不計(jì)壩料流變以及上游壩殼浸水變形;第二方案在第一方案的基礎(chǔ)上考慮壩料流變和上游壩殼浸水變形;第三方案心墻填筑干密度采用設(shè)計(jì)值,計(jì)算中計(jì)及壩料流變以及上游壩殼浸水變形。第一和第二方案的目的在于研究心墻采用較低填筑干密度時大壩的應(yīng)力變形性狀,探討在較高含水量時填筑心墻的可能性,同時分析大壩的流變特性。據(jù)陜西省水利勘測設(shè)計(jì)研究院提供的大壩心墻填土大致分區(qū)、設(shè)計(jì)干密度、各料場土料的物理力學(xué)性質(zhì)以及進(jìn)行試驗(yàn)的情況,本文計(jì)算時心墻各區(qū)相應(yīng)土料分別為:D1武家莊Ⅲ區(qū)土,D21蕎麥窩土料,D22和D23A桃李坪含礫土,D22B桃李坪粉質(zhì)粘土,D24用武家莊Ⅲ區(qū)土。D1由于厚度很小,計(jì)算時設(shè)有專門劃分單元。計(jì)算參數(shù)見表1。表2給出了方案二和方案三計(jì)算所用壩料的流變參數(shù)以及上游壩殼料的浸水變形參數(shù)。表1中,c、φ、K、Kur、n、G、F、D和Rf為DuncanE-B模型計(jì)算參數(shù),n0為初始孔隙率,Sro為初始飽和度,K0為滲透系數(shù),其選取是參照計(jì)算任務(wù)書及試驗(yàn)資料結(jié)合經(jīng)驗(yàn)而得;表2中ct、bt、dt、nt為流變參數(shù),cw、dw、nw為濕化參數(shù),是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的。三維計(jì)算時,沿縱剖面共切取25個橫剖面,生成空間單元3444個,結(jié)點(diǎn)總數(shù)為3589個。壩體填筑時間按27個月計(jì)算。3結(jié)論分析筆者計(jì)算模擬了大壩施工填筑至水庫蓄水運(yùn)行的全過程,得出了不同時期壩體的應(yīng)力變形發(fā)展規(guī)律。3.1壩體沉降和水荷載作用下心墻孔隙水壓力分布竣工期:壩體最大沉降為190.8cm,發(fā)生在1/3壩高左右的心墻中。心墻上、下游壩殼向心墻的擠壓變形分別為26.1cm和23.6cm,心墻有較為明顯的拱作用,但沒有拉應(yīng)力發(fā)生;由于壩殼向心墻位移,上、下游壩殼近壩坡面在半壩高左右均有一應(yīng)力水平稍高區(qū)域。蓄水期:和竣工期相比,蓄水過程中大壩沉降有所增加,最大沉降增至196.4cm,比竣工期增加了5.6cm。在水荷載作用下,心墻向下游的水平位移大為增加,心墻上游面向下游的最大水平位移增至52.6cm,較竣工期大26.5cm,而心墻下游面向上游的水平位移減至14.1cm,較之竣工期小9.5cm;圖1為蓄水期大壩最大剖面內(nèi)大、小主應(yīng)力分布等值線,和竣工期相比,上游壩殼和心墻中的大主應(yīng)力稍有減小,而小主應(yīng)力則下降頗多,原因是蓄水后上游壩殼受到浮力影響,心墻產(chǎn)生較大側(cè)向變形所致;由于心墻向下游的側(cè)向位移較大,因此上游壩殼中部產(chǎn)生了一個較高的應(yīng)力水平區(qū)域,最大應(yīng)力水平為0.9;此時,心墻中孔隙水壓力尚沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算還模擬了水庫運(yùn)行的情況,結(jié)果表明,水庫運(yùn)行6年后心墻中的孔隙水壓力基本達(dá)到穩(wěn)定值。圖2給出了運(yùn)行期大壩最大剖面內(nèi)空隙水壓力分布,和蓄水期相比,心墻中的孔隙水壓力有所提高。由于心墻中空隙水壓力升高,因此壩體沉降稍有減小,同時,心墻中的有效應(yīng)力也有所減小。3.2壩體支護(hù)結(jié)構(gòu)變形竣工期,由于考慮流變的作用,計(jì)算所得壩體的沉降和水平變位均較方案一大,此時,壩體最大沉降為219.1cm,心墻上、下游側(cè)壩體向心墻最大擠壓變形分別為33.6cm和29.4cm。蓄水期,壩體最大沉降增至230.6cm,心墻上游面向下游的最大水平位移增至58.5cm,較之竣工期增加了24.9cm,心墻下游面向上游的水平位移減至19.1cm,較之竣工期小10.3cm。水庫進(jìn)入運(yùn)行期后,壩體沉降隨流變進(jìn)一步發(fā)展,壩體最大沉降最終將達(dá)255.2cm。圖3為蓄水期大壩最大剖面內(nèi)大、小主應(yīng)力等值線。在計(jì)及壩料流變和上游壩殼浸水變形后,壩體壓應(yīng)力有所增加,心墻拱效應(yīng)有所減弱。計(jì)算結(jié)果還表明:水庫進(jìn)入運(yùn)行期后,大壩心墻中沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域和大片塑性區(qū),但左岸陡坡處,局部應(yīng)力水平較高。由方案一和方案二計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),心墻采用較低填筑密度時,雖然心墻收縮量較大,有一定程度的拱效應(yīng),但心墻中沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū),不致發(fā)生水力劈裂。不過大壩左岸陡邊坡處局部應(yīng)力水平較高,仍應(yīng)引起重視。至于上游壩殼在水庫蓄水后出現(xiàn)的高應(yīng)力水平區(qū)域,對水庫安全運(yùn)行不會有太大影響。3.3大壩壩體沉降分析大壩填筑竣工期的最大沉降為194.9cm,心墻上、下游面向心墻最大水平收縮位移分別為27.4cm和24.3cm。蓄水期壩體最大沉降為204.4cm,心墻上游面向心墻的最大水平位移為48.1cm,比竣工期增加20.7cm,心墻下游面向心墻的最大水平收縮位移為16.9cm,比竣工期減小7.4cm。隨著水庫的運(yùn)行,壩體沉降將進(jìn)一步發(fā)展,預(yù)測所得壩體最終最大沉降量為223.8cm。圖4為蓄水期大壩最大剖面內(nèi)大、小主應(yīng)力等值線。圖5給出了蓄水期大壩最大剖面內(nèi)空隙水壓力分布。對照方案三和方案二的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),心墻填筑干密度提高后,大壩的前期和后期沉降都有較大幅度的減少,心墻拱效應(yīng)的程度也有所減小。但是,左岸陡坡處小主應(yīng)力較低,局部應(yīng)力水平較高,應(yīng)注意該區(qū)域的施工質(zhì)量。4壩體沉降和心墻應(yīng)力本文計(jì)算結(jié)果顯示,心墻采用較低填筑干密度時,壩體沉降和心墻收縮變形較大,心墻拱效應(yīng)較為明顯,水庫蓄水后上游壩殼中小主應(yīng)力較低,并有一應(yīng)力水平較高的區(qū)域。但是心墻中沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。不過在大壩左岸陡坡處,心墻中小主應(yīng)力較小,局部應(yīng)力水平高,應(yīng)引起重視。計(jì)算中計(jì)及流變和上游壩殼的浸水變形后,壩體的沉降有較大增加。第一方案即心墻采用較低填筑干密度的情況,計(jì)及流變后,大壩最終沉降量增加58.8cm,壩體的有效應(yīng)力有所增加,心墻拱作用有所減小。心墻采用設(shè)計(jì)填筑干密度的第三方案計(jì)算結(jié)果與第二方案計(jì)算結(jié)果相比,由于心墻填筑干密度提高,大壩前、后期沉降都有明顯減少,心墻拱作用的程度也有較大幅度的減小。因此,心墻發(fā)生水