非线性接触深覆盖层水闸沉降分析

2016-09-28乐成军

东北水利水电 2016年1期

蒋　　达，乐成军，王　　涛

（1．四川凉山水洛河电力开发有限公司，四川成都610041；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072；3.河海大学水利水电学院，江苏南京210009）

非线性接触深覆盖层水闸沉降分析

蒋达1，乐成军2，3，王涛3

我国西南地区修建闸坝大多面临深厚覆盖层的问题，由于深厚覆盖层具有沉降不均匀、沉降量大的特点，给工程的安全运行带来很大的隐患。本文以某电站首部枢纽拦河闸为工程背景，利用大型商业软件ANSYS对工程结构进行模拟与计算，计算中考虑基础与地基的接触非线性，以对水闸运行期工况的沉降给予分析，结果表明：覆盖层的存在对工程结构的沉降变形有很大的影响，其不均匀性将大大增加了结构稳定性的危险，因此有必要对地基进行加固；研究成果直接应用于工程实际，并为类似工程设计提供了借鉴。

深厚覆盖层；接触非线性；水闸；ANSYS

0　引言

深厚覆盖层复杂的不良地基条件给水利水电工程建设带来了一定的困难［1］。由于深厚覆盖层的不均匀性［2］，工程的各结构之间的结构缝，结构与覆盖层之间，各层覆盖层之间均有接触问题的存在。接触的模拟是结构稳定性的模拟效果是否符合实际条件的重要因素。

现阶段国内对接触问题的研究很多，董景刚等［3］对土与结构接触面力学特性研究，讨论了接触面的力学特性；刘军等［4］考虑了基础与周围土体局部脱离所引起的非线性效应，对高层建筑地基的相互作用的非线性特性进行了分析。相比来说对深厚覆盖层不均匀而引起接触的问题研究很少，本文以建于深厚覆盖层上的某电站首部枢纽拦河闸坝为工程背景，在建立水闸-深厚覆盖层的体系的基础上模拟结构缝的接触非线性问题，开展工程运行期工况下基础沉降量的分析计算，并用以指导工程设计和建设。

1　接触非线性计算原理

接触［4］问题属于强非线性问题，有限元模型通过指定的接触单元来识别所有接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元。接触系统基本方程由平衡方程和接触条件两部分组成，接触条件又分为接触位移条件和接触力条件［5］。大型商用软件ANSYS对土—结构静力响应的接触问题模拟的较全面［6］，比如点点接触，点线接触，面面接触，滑动摩擦和库伦摩擦。考虑到接触体之间的刚度差别不大，所以该模型的计算中采用面面接触分析，其基本计算原理如下：

设有两弹性体A1和A2，其接触界面为O，界面上局部坐标系为nxy，向量n表示接触面的法向，由体A2指向体A1，向量x，y为接触面内两正交的向量。如图1。

图1　接触计算简图

引入虚位移，由广义虚功原理得：

式中：u为位移；Sσ为应力边界；σij，εij为应力张量和应变张量；dσij，dεij分别表示应力张量增量、应变张量增量；dui表示位移增量；dfi，dti分别表示给定的体力增量、面力增量。

此接触问题要采用增量方法求解，增量方程为：式中：变量前加△表示接触点位移相对值；上标1，2表示接触体A1和A2。

2　计算模型参数

2.1计算模型

数值分析模型整体坐标系以闸轴线上中间闸孔的中心为基准，具体范围为：x方向指向右岸，基岩范围在闸坝向右取100 m，向左100 m，总宽约300 m；y方向指向河流下游，基岩范围从闸轴线向上游取80 m，向下游取220 m，总长约300 m；z方向以垂直向上为正。模型尺寸约为300 m×300 m× 200 m，这一模型范围相对闸坝的大小可以满足计算精度的要求。

模型中模拟了闸墩、底板、挡水坝、铺盖、护坦，回填砂卵石，覆盖层中Ⅲ-2层、Ⅲ-1层、Ⅱ层、Ⅰ层这4层，基岩采用均质的岩体材料。

对结构缝，均采用面面接触单元模拟，即接触单元可承受相互的挤压和错动，但受拉即张开。上部结构间的接触不设摩擦，上部结构与基础覆盖层之间的摩擦系数设为0.40。

对模型的边界均采用连杆约束作为边界条件。即在模型的左右两端（x方向）基岩采用x向的连杆约束，在模型的上下游两端（y方向）采用y向的连杆约束，在模型的底端（z方向）采用z向的连杆约束。

模型采用含中节点的6面体20节点单元及其退化的4面体10节点进行智能剖分。模型单元网格图见图2。

图2　模型单元网格图

为便于后面的描述和分析，对拦河闸坝的坝段进行编号，对闸室、铺盖、护坦的编号见图3。

2.2计算材料参数

1）覆盖层材料参数。

图3　闸坝结构闸室、铺盖、护坦编号图（俯视）

河床覆盖层主要由漂（块）石，卵砾石、碎石、砂（壤）土组成，各层的分布情况如下：I层含漂石卵砾石层，一般厚10～20 m，大多分布于左侧河槽，最大厚度可达25.56 m；II层含砂壤土碎砾石层，厚度变化大，且分布很不均匀，薄处仅2 m，最厚为17.1 m；III-1层含孤块石卵砾石层，分布于河床上部右岸，为现代河床冲积层，厚度一般8～14 m，在闸基下右岸处变厚，最厚可达16.5 m；III-2层块碎石夹砾卵石层，主要分布河床表部，一般厚4～8 m，最厚处14.65 m，该部分很松散，分布也很不均匀，并且存在架空现象。主要计算参数见表1。

表1　覆盖层参数表

2）其他材料参数，见表2。

表2　材料参数表

3　计算成果分析

3.1闸室

闸坝坝段的最大沉降量为11.2 cm，最大沉降量发生在闸室3号与4号的上游端。由于上游水位的作用，闸室间的沉降差相对竣工期增大。最大的沉降差发生在5号坝段与右岸挡水坝之间，最大沉降差相对竣工期增大到3.2 cm。蓄水以后，由于水头只作用在闸室底板上游侧，所以顺河流向闸室的沉降差增大。运行期闸室的沉降量和沉降差见表3。

表3　各闸室铺盖护坦的沉降量与沉降差　cm

3.2铺盖

运行期，铺盖的沉降量比竣工期大，铺盖的沉降量为3～10 cm。在水头作用下3号和4号铺盖的下游端局部的沉降略大于相邻的闸室，这主要是因为：1）闸室的沉降引起相邻铺盖下游端的沉降；2）铺盖整体受到上游水头的作用，闸室受上游水平推力作用；3）铺盖底部的基础没有作加固措施，基础受力变形相对闸室底部的基础要大。因此，加固铺盖底部靠近闸室一侧的基础也有利于解决这个问题。铺盖的沉降和相邻铺盖间的沉降差见表3。

3.3护坦

护坦的沉降，运行期与竣工期相当，沉降量为2.5～6.0 cm。最大沉降发生在护坦2号与3号的上游端。护坦间沉降差很小，最大沉降差约为1 cm。护坦沿河流向的沉降差不大，最大沉降差约为1.5 cm。护坦的沉降和相邻护坦之间的沉降差见表3。

由于地基的不均匀沉降，闸坝与铺盖之间以及闸坝与下游护坦之间存在着相对沉降差，闸坝与铺盖以及闸坝与下游护坦之间水平向（x，y向）的相对位移很小，最大为1.5 cm。

4　结论

1）由于覆盖层不均匀性，运行期未采用地基加固措施的水闸的沉降量及各部分沉降差相对较大。闸坝的最大沉降量为11.2 cm，闸室间最大沉降差为3.2 cm，发生在闸室5号与右岸基岩之间。铺盖间的较大沉降差发生的铺盖1号和2号之间，沉降差分别为2.6 cm。护坦间的最大沉降差为1.4 cm，发生在护坦1号和2号之间。因此在深厚覆盖层上建水闸，要充分考虑闸室沉降与闸室间的不均匀沉降问题，对基础进行固结灌浆等方式提高厚覆通过盖层的变形模量，可有效地控制基础变形。

2）覆盖层的物理力学特性对闸坝及基础的变形和上部结构的应力影响很大，因此今后有必要加强对覆盖层的物理力学参数的现场和室内实验研究以获取较为真实的计算参数和地质条件，结构计算和设计也应随着工程建设的深入作更深入的研究。

3）大型商业软件ANSYS上的面面接触模拟闸坝上的结构缝，可模拟结构缝两边建筑物的滑移、张开、没有嵌入的工作性态，并且计算的结果是合理的，这为建在复杂地基上闸坝的不均匀沉降的三维有限元分析提供了一种有效的计算实现方法。

［1］罗守成.对深厚覆盖层地质问题的认识［J］.水力发电，1995（4）：21一24.

［2］廖明亮，刘仕勇.西藏达嘎水电站河床覆盖层坝基的稳定性评价与计算［J］.水电站设计，2000（12）：88一93.

［3］董景刚.土与结构接触面力学特性研究［D］.大连：大连理工大学，2011.

［4］刘军，王丹闵，王铁光.土—结构相互作用的非线性反应［J］.东北大学学报：自然科学版，2002（9）：915-918.

［5］李润芳，龚剑霞.接触问题数值方法及其在机械设计中的应用［M］.重庆：重庆大学出版社，1991：l-53.

［6］郝文化.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2005：272一273.

［7］黄冶，岳丽野，王宗生.基础沉降计算方法的探讨［J］.东北林业大学学报，1998（3）：69一72.

TV66；TV223

1002-0624（2016）01-0001-03

国家自然科学基金项目（51209078）