波浪荷载对高含砂面板砂砾石坝掏刷分析

2018-08-29李建文

水利技术监督 2018年4期

李建文

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830001)

随着我国西部大开发和“一带一路”建设，我国的各种水利工程建设正在如火如荼的进行中，如三峡大坝、葛洲坝等水利工程，这些大型的水利水电工程的稳定性是我们非常关心的问题。面板砂石坝凭借其工期较短、造价较低以及取材方便等特点目前广泛地运用于各种坝体建设中。在一些靠海和一些水浪较大的海湖地区的砂石坝，长期遭受波浪荷载作用；因此有必要对波浪荷载作用下的面板砂石坝的动力特性进行分析。目前已经有一些学者对面板砂石坝的动力作用下的力学变形特性进行了一些研究。肖福辉[1]对地震作用下的面板砂石坝的动力反应进行研究，通过数值模拟的手段，研究动力作用下坝体的变形分布规律。李阳[2]等利用ABAQUS软件二次开发动力等效线性粘弹性模型，对已有板面砂石坝进行动力响应分析，研究了加速度、位移和参与变形等参数的变化情况。银佳男[3]等对弱透水性的面板砂石坝进行动力分析，研究了动力作用下面板砂石坝的渗流特性。邹德高等[4]采用广义塑性模型对面板砂石坝的有限元静、动力进行分析，研究了大坝的变形、动力反应等变形规律。杨志磊等[5]采用三维非线性动力有限元法对面板砂砾石坝的动力反应特性进行了计算分析，得出了坝体和坝面加速度、位移和应力等动力反应。关志诚、黄举、凤炜、刘景青等[6- 8]对堆石坝的施工技术进行了研究，提出了一种更加可靠的施工技术。

邓亲云等[9]对土工膜斜墙堆石坝土工膜如何适应变形而不产生拉应力在结构措施上提出了新的建议。王金玉[10]对坝体渗流进行了研究，为坝体维护提供了一定的经验。

本文基于FLAC3D软件，对高含砂面板砂石坝进行数值模拟，研究其位移和应力动力参数反应。以期对板面砂石坝设计进行一定的参考作用。

1 基本原理

1.1 规则波浪理论

规则波浪理论形式简单、较为成熟，因此目前应用较为广泛。假设波浪由一条正弦波组成，通过边界条件，引入同时考虑三角函数的正交性。

1.2 随机波浪理论

随机波浪理论假设波浪由多个周期组成，通过多个正弦函数进行重叠交叉进而叠加成随机波浪，随机波浪与实际波浪更为相似，因此目前应用这种理论的学者越来越多。如图1所示为两种波形时程图。

图1 两种波面时程图

2 波浪荷载下板面砂石坝的动力响应分析

2.1 数值模型

利用FLAC3D软件对面板砂石坝进行建模。如图2所示为坝体材料分区示意图，图3为计算网格模型图。计算参数见表1。

2.2 数值模拟计算结果

通过FLAC3D模拟坝体位移如图4～6所示，分别截取不同时刻下坝体的水平和竖向位移云图。

图2 坝体材料分区图

图3 数值模型

材料名称KnmKb垫料层15000.570.09770过渡层11500.550.14650主堆石料12000.350.14500次堆石料9000.560.08450

图4 10s位移云图

图5 20s位移云图

图6 30s位移云图

由图4～6可知，不同时刻下坝体的竖向位移和横向位移模式基本一致，竖向位移均是坝体中心位置最大，由中心位置呈环状向外围辐射位移逐渐变小，最大位移分别为1.132、1.135、1.41m。水平位移均是下游位移大于上游位移，向上游水平位移分别为15、15、15cm，向下游分别为18.54、18.74、19.06cm。沉降分别为113.2、113.5、114.1cm。由以上分析可知，竖向位移峰值出现在坝体内部，水平位移向上游和向下游基本对称，但是波浪荷载对下游唯一的影响较对上游的影响大，数值模拟结果与实际工况较为符合，变形规律合理，进一步说明了数值模拟的准确性以及必要性。如图7～9所示为不同时刻下坝体的最大主应力图。

图7 10s时坝体最大主应力

图8 20s时坝体最大主应力

图9 30s时坝体最大主应力

如图所示，坝体的最大主应力分布在不同时刻基本一致，10、20、30s时最大主应力分别为3.51、3.54、3.58MPa。出现在坝体下方靠近基岩位置，由图可知坝体主应力随坝体断面高程升高而降低，由此说明波浪荷载对坝体应力的影响小于坝体自重的影响。坝体上游一侧主应力受波浪荷载影响较为明显，这是由于上游侧垫层区和过渡区的弹性模量要大于堆石区，所以由此分析数值模拟的结果也是较为合理的。总的来看，波浪荷载对坝体的主应力影响程度有限。

图10为孔隙水压力沿高程变化曲线。由图10可知，随着高度的增加水压力呈现先减小后稳定在增大最后在减小的趋势，因此在工程施工过程中，要合理的对不同高程的坝体进行加固。

图10 孔隙水压力沿高程变化曲线

如图11所示为坝体加速度时程曲线。

图11 节点A加速度时程曲线

图12 节点B加速度时程曲线

如图11、12所示，对比顺河和垂向加速度时程曲线可知，在0.8倍面板坝高位置，竖向加速度出现峰值为1.92，在下游面板坝顶部位置加速度为1.9。如图11、12所示，面板坝在波浪荷载作用下顺河加速度反应较为强烈，最大加速度位置出现在坝顶靠下游处，最大加速度为6.37，而顺河方向加速度波动较小。因此为防止坝顶块石在惯性力作用下滚落，对下游坝坡采取放缓坡处理非常有必要。