主次堆石体分区对堆石坝影响研究

韩 芳 汪 君

(1.武汉科技大学理学院,武汉 430065;2.冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室,武汉 430081;3.中国五环工程有限公司,武汉 430223)

面板堆石坝是以堆石为受力主体、混凝土面板为防渗主体的一种新型的土石坝类型,具有就地取材、适应性强、施工简单、造价低等优点,成为目前坝工结构中竞争力强、发展前景好的坝型.我国的面板堆石坝设计中,一般取坝体中心部位的区域(俗称“死区”)下游侧的边界作为主次堆石的分界,但国外的一些工程却倾向于将次堆石的区域扩大至“死区的上游侧”以扩大次堆石体的范围,如关门山面板坝采用俯倾1∶0.6主次分区,龙溪面板坝采用俯倾1∶0.5主次分区,而澳大利亚塔斯马尼亚面板坝采用仰倾1∶0.2主次分区[1-2].其次,主次堆石体由于分布差异而造成的不均匀变形将在面板内形成较大的拉应力,成为引起面板裂缝的重要因素之一[3].目前确定区分边界的常规做法是在满足水力过渡和变形模量递减的原则后,参照已有工程经验来选定[4-5].由此可见,研究主次堆石体的合理分区对分析面板的应力应变是有积极意义的,本文将以实际工程为例进行主次堆石体分界探讨.

1 计算原理及方法

1.1 Duncan-Chang EK模型

邓肯张EK非线性弹性模型采用切线弹性模量和体积模量两个弹性常数[6],其中:

切线弹性模量

体积模量

回弹模量

应力水平

可见,该模型共有8个参数:K,Kur,Rf,Kb,m, n,c,φ,可由一组三轴试验确定.对堆石材料,常取c= 0并使用如下的非线性强度参数φ0和Δφ0[7].

1.2 计算说明

(1)采用ANSYS中的APDL语言进行二次开发,设计需要的模型单元.使用APDL给每个单元定义一个材料号,分级施加荷载,在每个荷载步结束时提取出各单元的σ1和σ3,据此计算出下个荷载步的弹性模量E,再修改各单元材料属性进行下一步计算.

(2)在混凝土面板和堆石体这两种变形特性相差较大的材料间设置接触单元来模拟两者之间的力学性能(CONTA172定义目标面,TARGE169定义接触面).

(3)使用 Duncan-Chang模型进行有限元分析时,初始状态对计算有重要影响,然而实际土体的初始应力状态是无法精确计算的,作为近似估计,可以采用土体的自重应力.

(4)采用生死单元模拟动态施工过程,采用增量法考虑荷载的逐级施工,计算出施工各阶段的应力变形,该方法可反映结构本身随施工填筑而变化对应力变形的影响.

2 工程实例

2.1 工程概况

蓼叶水库混凝土面板堆石坝,坝顶高程503.40 m,最大坝高67.4m,坝顶长377.21m.主次堆石料均选用石英长石砂岩和岩屑石英砂岩,饱和抗压强度35～50MPa.计算选取最大坝高断面,采用不同坝体分区的3个方案进行计算,3方案的次堆石体上游分界线的坡度有所不同,方案1为仰倾,坡比1∶0.2,方案2为俯倾,坡比为1∶0.2,方案3为俯倾,坡比为1∶0.6(如图1所示).

图1 3个方案混凝土面板堆石坝基本剖面图

该面板堆石坝的位移-应力计算采用 Duncan-Chang非线性弹性模型.该模型由常规三轴试验来确定变化的弹性材料参数,见表1.

表1 Duncan-Chang(E-K)模型材料参数

建立有限元模型如图2所示,基础取1.5倍坝高,基础上、下游端部距上、下游坝坡脚取1.5倍坝高.采用四节点等参单元,总节点数3 314,总单元数3234.上、下游端部的边界施加顺河流向位移约束,底部施加铅垂向位移约束.

图2 面板堆石坝有限元计算模型(以方案1为例)

将坝体分为13层以模拟每层填筑或分段加载.在计算中共分17级加载,其中坝基及覆盖层作为一级加载.在第1级加载中,只计入初始应力场,不计入位移.随后按坝的填筑高程依次第2级至第14级加载.第15级加载为库水压力(死水位474m),第16级加载为库水压力(水位490m),第17级加载为库水压力(正常蓄水水位500m).

2.2 结果整理

3个方案在竣工期和正常蓄水期的变形见表2.

表2 面板堆石坝最大变形值 (单位:cm)

2.3 方案对比

(1)位移分析:方案1变形最大,方案3变形最小.3个方案的最大沉降分别占坝高的0.185%、0.169%、0.154%,均小于坝高的1%,在合理范围内;3个方案竣工期坝体的沉降值,以方案1最大,方案3最小;3个方案向上游的水平变形的最大值均位于距坝基面上1/3坝高的上游坝坡面上,向上游水平变形最大值分别为14.9cm,14.6cm和14.5cm;3个方案向下游的水平向变形最大值均在距坝基面上1/3坝高的下游坝坡面上,向下游水平变形最大值分别为16.2cm,15.9cm和15.2cm.

(2)应力分析:竣工期和蓄水期3个方案在上、下游坝坡面、坝顶及下游坝坡脚处的很小局部区域出现了一定的拉应力,不同的方案对这些区域的拉应力影响不同.对上部马道,3个方案的拉应力峰值较为接近,对下部马道,方案2在该处的拉应力峰值最小,方案1的拉应力峰值最大;对上游坝坡面,方案2拉应力峰值最小,方案1的拉应力峰值最大;对坝顶,方案1拉应力峰值最小,对下游坝坡脚,方案3拉应力峰值最小,方案2最大.由此可见,对于不同的部位,3方案各有优劣.

(3)应力水平:应力水平反映了土体的抗剪切破坏能力的裕量,3个方案大坝上的应力水平峰值均出现在下游坝坡面的下部,此时3个方案的应力水平峰值分别为0.55(方案1),0.56(方案2),0.54(方案3).由此可见,坝体上抗剪切强度在正常蓄水期均有较大的富裕,能保证大坝的抗滑稳定.

3 结 论

(1)从变形来看,方案3(俯倾,坡比1∶0.6)最优,二次变形较小;从应力来看,3个方案的压应力峰值在同一个数量级,对于不同的部位,各方案略有优劣;从应力水平来看,3方案略有差异,皆满足稳定性要求.

(2)综合分析应力、变形及稳定性条件,建议该混凝土面板堆石坝设计中,主堆石及下游堆石体的界线设置成自坝轴线向下游倾斜,其坡度在1∶0.6左右,可保证稳定性及应力变形条件最佳.该结论可为类似堆石坝结构提供参考.

[1] 蔡 新.混凝土面板堆石坝结构分析与优化设计[M].北京:中国水利水电出版社,2005:95-98.

[2] 蒋国澄,赵增凯.中国混凝土面板堆石坝的近期进展[J].贵州水力发电,2004,18(15):1-4.

[3] 刘 招,苗隆德.基于APDL的混凝土面板堆石坝三维非线性有限元分析[J].西北水力发电,2004,20(4):17-20.

[4] 傅志安,凤家骥.混凝土面板堆石坝[M].武汉:华中理工大学出版社,1993:10-15.

[5] 曹克明.超高面板堆石坝堆石体分区及相关问题[J].土石坝与岩土工程实践及探索-2004年技术研讨会论文集.2004:5-9.

[6] 徐泽平.面板堆石坝应力变形特性研究[M].北京:中国水利水电科学研究院,2005:112-115.

[7] 徐泽平,邓 刚.高面板堆石坝的技术进展及超高面板堆石坝关键技术问题探讨[J].水利学报,2008,39(10): 1226-1234.