不同混凝土心墙岸坡坡比下大坝应力变形特性分析

刘兆龙

(黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163000)

不同混凝土心墙岸坡坡比下大坝应力变形特性分析

刘兆龙

(黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163000)

随着中国水利工程的不断发展，土石坝的比例不断增加，尤其是以沥青混凝土心墙作为防渗结构的坝型广泛应用。目前，对于沥青混凝土心墙岸坡坡比的理论研究和施工工艺较为成熟，已经成为国内的一种主流坝型。文章结合工程实例，分析研究在不同工况下混凝土心墙岸坡坡比变化对坝体应力变形影响，总结特性变化规律，为大坝在心墙岸坡坡比的设计中提供指导。

混凝土心墙；坡比；土石坝；变形；特性

1 绪 论

沥青混凝土心墙土石坝中的防渗体设计在大坝内部，外力荷载和温度对其影响较小，抗震性提高等。作为防渗体系的重要组成部分，具有以下特点[1]：①防渗性能较好，渗透系数保持在10-7-10-8cm/s以下，并且浇筑时沥青混凝土是不透水的；②适应变形能力较强，由于材料本身柔性较好，适用于各种坝体与基础的不均匀沉陷，同时较好的适应岸坡的变形；③施工工艺简单，可与坝体同步施工，过程中水库可以蓄水，结构工程量少，节省工程投资，提高工程进度；④具有良好的塑性性能，抗冲击性较强，不影响防渗性能的同时快速有效的适应各种材料变形，因其高强度，大阻尼，受地震荷载作用破坏的几率较小；⑤沥青混凝土心墙的材料耐久性明显优于其他材料；⑥沥青混凝土心墙的体积小于其他防渗结构，极大程度上保护了自然生态。沥青混凝土防渗结构的特性在工程中效果显著，工程实践中得到了广泛应用。

2 应力变形经理有限元分析原理

2.1 土石坝有限元分析

基于材料应力应变的非线性关系，将非线性转变为线性问题的过程，目前主要用迭代法解答。文章计算方法为中点增量法[2]，在工程实际运用中极为广泛，迭代过程较为简单适用，在非线性有限元的分析方法被广泛应用。它对施工过程荷载加载部分进行模拟，分别求得施工过程的各阶段的材料的应力变形情况。其计算步骤如下：

1)定义初始状态点Mi-1。可通过应力{σ}i-1计算求得材料的弹性常数Ei-1，vi-1然后形成劲度矩阵[K]i-1。

2)施加荷载：在结构上施加一半荷载{△R}i/2，用式1解得位移增量。

(1)

4)利用{R}i-1在结构上施加全荷载{△R}i，套入式1来解得位移增量：

(2)

求解出应力增量{△σ}i、应变增量{△ε}i，并对求出的应力和应变分量进行累加。

5)重复1-4的步骤，最终求解处施加各级荷载下对应增量的应力应变。

2.2 本构模型

当今在非线性问题的本构模型研究中，采用较为广泛的是邓肯(Duncan)与张(Chnag)的双曲线非线性弹性模型[3]，特点是适用性强，各参数概念性强且数值容易计算确定，最大程度上反映出土体的非线性特性。在常规三轴试验中，表达式如下：

(3)

式中：a和b均为常数。

材料的切线弹性模量表达式为：

(4)

通过常规三轴试验得出a、b值后切线弹性模量可表达为：

Et=(1-Rfs)2Ei

(5)

式中：Rf破坏比，表示主应力差和其渐近值之比：

(6)

定义s应力水平，表达式如下：

(7)

式中：Ei为初始切线模量。

(8)

代入式(8)可得

(9)

式中：c为土体的黏聚力；φ为土体内摩擦角，Rf对应不同σ3下的均值。

材料卸荷模量：

(10)

式中：Kur为试验参数，一般大于材料的渗透系数。

切线体积模量Bt表达如下式：

(11)

式中：m为无量纲系数；Kb体积模量数。

3 工程实例

3.1 工程概况

某水利枢纽工程主要是以发电为主，兼顾灌溉，水上交通等综合效益。枢纽布置主要包括溢洪道、沥青混凝土心墙坝、泄洪洞、地下厂房等。大坝正常蓄水位2338.00m，设计洪水位2337.58m，校核洪水位2339.40m，总库容1.08亿m3。沥青混凝土心墙基座位于基岩处，最大高度116.00m，对应坝高172.30m[4]。沥青混凝土心墙土石坝的标准横剖面如图1。

3.2 计算模型和计算参数

本模型中两岸山体沿着上下游方向、坝轴线方向、竖直方向都各取一倍坝高。X向沿坝轴线指向左岸为正；Y向沿水流方向指向下游为正；Z向沿竖直方向向上为正。该模型进行有限元网格剖分：坝体单元36525个，节点53283个。网格剖分如图2。

边界条件：坝体两侧坝轴线方向施加X向约束，水流方向施加Y向约束，基岩面施加三向约束。

图1 沥青混凝土心墙土石坝的标准横剖面图

图2 最大剖面网格剖分图

计算时，大坝的堆石料，过渡料，沥青混凝土心墙、覆盖层均采用邓肯-张E-B模型参数，岸坡岩体和地基基岩定义为线弹性材料，材料计算参数情况[5]见表1。

表1 大坝材料计算参数表

3.3 三种不同方案的拟定

计算采用三种方案见图3，分别定义沥青混凝土心墙岸坡坡比为1∶0.35、1∶0.25、1∶0.15。

图3 三种不同岸坡坡比的沥青混凝土心墙图

3.4 计算结果

文章只列出方案一的计算结果示意图如图4-7(下同)。三种方案下坝体在竣工期和蓄水期的位移和应力应变见表2。

图4 竣工期最大剖面垂直位移等值线图

图5 坝体在竣工期最大剖面水平位移等值线图

图6 坝体在竣工期最大剖面大主应力等值线图

大坝不同工况不同方案下的应力变形计算结果分析，见表2。

表2 坝体的计算成果表

竖直位移变化：竣工期坝体最大沉降量为0.65m，发生位置约在1/2坝高处，最大沉降量约为坝高的0.35%。蓄水后，最大沉降量略微增加，但蓄水前后坝体沉降变化规律相似。水平位移变化：基本呈对称分布，竣工期坝体的水平最大位移，上游5.58cm(坝体中部约2/5坝高处)，下游5.83cm。蓄水时，由于上游水压力的作用整个坝体趋向下游移动，上游增大为4.62cm(约1/2坝高处)，下游为14.52cm，蓄水前后坝体水平位移变化规律相似。坝体大主应力：竣工期大主应力变化规律，与深度变化呈线性关系，最大主应力为-3.20MPa，蓄水时为-4.03MPa，数值有所增大。蓄水完成后，心墙与过渡料处产生有应力集中现象，主要是因为材料力学特性有较大差异所致。坝体小主应力：竣工期小主应力为0.52MPa(坝体中部坝高约1/5处)；蓄水时为1.20MPa，比竣工期数值略微增大。方案二、方案三的坝体应力变形规律与方案一相似，综合计算结果认为方案三的分析更为符合规范要求。竣工期和蓄水期的计算结果表明，坝体的应力变形值在合理范围内，坝体分区设计和边坡坡比是合理的，符合设计规范要求。

4 总 结

在土石坝有限元基本原理分析和适宜材料本构模型的构建基础上，结合工程实际，对沥青混凝土土石坝坝坡坡比的三种不同方案进行了施工期和蓄水期两种工况的有限元静力分析，得出随着岸坡坡比的变化对大坝应力应变的影响和坝体安全性分析。结果表明大坝不存在过大的不均匀沉降问题，应力分布规律基本合理，工程的安全性可以得到保证。

[1]朱晟,闻世强.当代沥青混凝土心墙坝的进展[J].人民长江，2004，35(09)：9-11.

[2]张怀生.水工沥青混凝土防渗技术[J].水利水电施工，2006(12):1-5

[3]中华人民共和国国家能源部.DL/T5411—2009土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[4] 王波，申向东.沥青混凝土心墙堆石坝应力应变计算[J].黑龙江水专学报,2008,35(02)：52-55.

[5]张芸芸，陈尧隆，吕琦，等.沥青混凝土心墙坝的应力及变形特征[J].水资源与水工程学报，2009，20(03)：87-90.

AnalysisforDamStressDeformationCharacterinDifferentSlopeRatioofConcreteCoreWallBankSlope

LIUZhao-long

(HeilongjiangProvincialNenRiverDiversionProjectManagementDepartment,Daqing163000,China)

With constant development of the hydraulic projects in China, the proportion of soil and rock dam increased constantly, especially, the dam type taking asphalt concrete core wall as the seepage protection structure was applied widely. At present, the theoretical research and construction technology of asphalt concrete core wall bank slope ratio are developed and have been a kind of trunk stream type in China. In combination with the project case, the changing impact of concrete core wall bank slope ratio on dam body stress deformation was analyzed and the character changing law was concluded to supply guidance for the design of core wall bank slope ratio of the dam.

concrete core wall; ratio of slope; earth-rock dam; deformation; character

1007-7596(2017)07-0030-04

2017-06-16

刘兆龙(1977-)，男，黑龙江富裕人，工程师。

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