接触面特性对面板堆石坝应力变形的影响性研究

2018-12-25刘双华杨昕光孟宪磊王艳丽

水电与抽水蓄能 2018年6期

李斌，刘双华，杨昕光，孟宪磊，王艳丽

（1.国网新源河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北省武汉市 430010）

0 引言

在抽水蓄能电站中，一般采用施工方便、造价低廉、运行可靠的混凝土面板堆石坝作为挡水建筑物。由于混凝土面板与垫层料模量相差较大，这种材料特性的差异使得在两者交界面形成了一定厚度、不同于一般土体的区域，称之为接触面。在坝体填筑、蓄水或地震过程中，由于面板与垫层的接触作用，两者之间容易出现剪切滑动或者脱开，引起面板发生挤压破坏或脱空现象[1，2]。因此，接触面力学特性对面板堆石坝的安全性均存在重要影响。

鉴于接触面特性对结构物的受力变形有重要影响，合理模拟土与结构间的受力和变形是十分重要的。通过对接触面力学性质试验成果的分析，研究者们提出了许多本构模型来模拟接触面的力学特性[3-7]，如弹性非线性模型、弹塑性模型及损失模型等。目前，Clough和Duncan提出的双曲线接触面本构模型[3]由于其简单方便、经验丰富等优点仍是应用最为广泛的模型。张丙印等[8]采用Clough和Duncan的接触面双曲线本构模型，分别将混凝土面板和堆石体当作独立的可变形接触体，并研究了高面板堆石坝面板脱空问题。张嘎和张建民[9]基于接触面弹塑性损伤模型对面板堆石坝应力变形特性进行了研究，表明所建立的损伤模型能够较好地描述粗粒土与结构接触面的静动力学特性。岑威钧和李星[10]对混凝土面板堆石坝数值分析中的接触面模型进行了较为全面的总结，并评析了各种模型的优缺点。刘京茂等[11，12]建立了一种可考虑三维效应以及剪胀（缩）等特性的广义塑性接触面模型，并应用于面板堆石坝的静、动力有限元分析中。

在混凝土面板浇筑前，通常在垫层料外表面喷涂乳化沥青，以减小挤压边墙与混凝土面板之间的约束作用及减少面板裂缝的发生。乳化沥青的存在势必会影响接触界面的力学特性，使得界面两侧材料的荷载分担比例发生变化。然而，目前对喷涂乳化沥青前后接触面的力学特性及乳化沥青对减小接触面摩擦力的作用程度研究较少，有必要研究喷涂乳化沥青前后的力学特性并分析接触面力学特性对面板堆石坝应力变形的影响。本文在前人研究基础之上，依托某抽水蓄能电站工程，根据接触面剪切特性试验成果，采用数值分析方法研究了喷涂乳化沥青前后接触面力学特性对面板堆石坝应力变形的影响，以期为该类型混凝土面板堆石坝的设计、施工与运行提供参考和依据。

1 工程概况

某抽水蓄能电站规划装机规模3600MW，分两期建设，每期装机容量1800MW，具有周调节性能。电站枢纽由上水库、下水库、水道系统和地下厂房系统等部分组成。上水库挡水建筑物采用钢筋混凝土面板堆石坝，大坝最大坝高120.3m，坝顶高程1510.3m，轴线长度556.0m，上、下游坝坡均采用1：1.4，上水库正常蓄水位1505.00m，死水位1460.00m，坝体填筑材料选用上水库进/出水口开挖石料，料场储量丰富，可满足工程要求。上水库面板堆石坝典型剖面图见图1。

2 计算模型与参数

图1 上水库面板堆石坝典型剖面图Fig.1 Diagram for CFRD of upper reservoir

根据大坝设计剖面图建立三维有限元计算模型，采用8节点六面体单元或者6节点五面体单元进行网格剖分，局部采用4节点四面体单元，并在混凝土与土之间设置接触面，共剖分50608个单元，有限元计算网格见图2。

图2 有限元计算模型Fig.2 Finite element model

坝体和覆盖层的静力本构模型采用邓肯E-B模型[13，14]，计算参数见表1。混凝土面板采用线弹性模型，密度取2.40g/cm3，弹性模量为30GPa，泊松比为0.18。止水缝材料采用邹德高等提出的接缝简化模型[15]，具体参数见相关文献。

表1 E-B模型计算参数Tab.1 Parameters of Duncan-Chang E-B model

根据大坝实际的填筑顺序及运行过程进行有限元数值模拟，共分为25级加载步模拟坝体的施工填筑，1个加载步模拟混凝土面板浇筑，4个加载步模拟蓄水，4级加载步模拟蓄水。计算时，每级加载又分5个增量步，并采用中点增量法，以反映材料的非线性特性。

3 接触面模型与参数

采用ABAQUS中的罚函数接触算法进行接触模拟。接触面切向模型采用Clough和Duncan提出的非线性弹性本构模型[3]；法向模型采用采用ABAQUS中的硬接触，即两物体只有在压紧状态时才能传递法向压力，若两物体之间有间隙时不传递法向压力。

Clough和Duncan认为剪应力和相对剪切位移存在双曲线关系，即剪切应力τ与剪切位移ωs之间存在双曲线模式即：

式中：a、b为反映接触面性质的两个参数。经进一步推导，对于三维问题，两个切线方向的刚度分别为：

式中：Kyx、Kyx均为切向剪切模量系数；γw为水容重；Pa为大气压强；σy为接触面法向应力；τyx、τyz均为接触面上的剪应力；Rf、K1、n为接触面非线性指标，可由试验求得，分别为破坏比、接触面弹性模量系数及指数；δ、c0分别是接触面的界面摩擦角与黏聚力。

采用自主研制的大型低摩阻叠环式双向静动剪切试验机，考虑面板与垫层间喷和不喷涂乳化沥青情况，进行了混凝土面板与垫层料之间的大型剪切试验，研究了垫层料与混凝土面板接触面的力学特性并确定了模型参数，具体见表2。

表2 接触面模型计算参数Tab.2 Parameters of interface model

由表2可知，涂乳化沥青（方案2）与不涂乳化沥青（方案1）相比，由于接触面相对光滑，其非线性指标K1和界面摩擦角δ均有较大程度降低。

4 大坝应力变形分析

4.1 坝体应力变形分析

表3为面板与垫层料接触面涂乳化沥青（方案1）和不涂乳化沥青（方案2）下坝体在完建期和满蓄期的应力、变形最大值统计表。

表3 坝体应力及变形最大值计算结果Tab.3 Maximum results of the stress and deformation of dam

当采用方案2，即接触面不涂乳化沥青时，坝体在完建期和满蓄期的应力变形情况均较方案1，即接触面涂乳化沥青时无明显变化，说明接触面特性对坝体应力变形无明显影响。当采用方案1时，满蓄期坝体沉降最大值为0.815m，约占坝高的0.68%，位于大坝中部高程位置。同时，坝体水平向上、下游水平位移最大值分别为0.092m和0.303m。此时大、小主应力最大值分别为2.150MPa和0.692MPa，位于大坝中轴线底部位置。坝体满蓄期位移等值线见图3，应力等值线见图4。

图3 坝体满蓄期位移等值线图Fig.3 Deformation contours of dam in the reservoir filling stage

图4 坝体满蓄期应力等值线图Fig.4 Stress contours of dam in the reservoir filling stage

4.2 面板应力变形分析

表4为方案1和方案2下面板在完建期和满蓄期的应力、变形最大值统计表。

图5和图6为采用方案1时面板在满蓄时的变形和应力分布等值线云图。由计算结果可知，当采用方案1时，蓄水后，由于上游水压力的作用，且面板中间部位所受约束较小，因此使得面板中下部的挠度变形最大，此时面板法向挠度最大值为24.8cm，坝轴向左、右岸水平位移最大值分别为2.3cm和2.6cm。从应力分布来看，满蓄期面板基本处于受压状态。顺坡向最大压应力为4.39MPa，位于面板中下部；拉应力主要分布在其底部及边缘位置处，最大拉应力为-2.43MPa。面板坝轴向最大压应力为7.27MPa，出现在其中央部位；最大拉应力为-1.04MPa，出现在其两侧的边缘位置。

表4 面板应力及变形最大值计算结果Tab.4 Maximum results of the stress and deformation of face slab

图5 面板蓄水期变形等值线云图Fig.5 Deformation contours of face slab in the reservoir filling stage

图6 面板满蓄期应力等值线云图Fig.6 Stress contours of face slab in the reservoir filling stage

当采用方案2时，面板变形较方案1几乎无变化，仅应力较方案1有所改变。此时顺坡向压应力和拉应力最大值分别为4.46MPa和-2.89MPa，较方案1分别增加1.59%和23.50%；坝轴向压应力和拉应力最大值分别为7.29MPa和-1.19MPa，较方案1分别增加0.28%和14.42%。说明当涂乳化沥青时，对减小面板拉应力，改善其受力状态有一定作用。

4.3 止水缝变形

当采用方案1和方案2时，止水缝在满蓄期的变位最大值统计表如表5所示。

表5 止水缝变位最大值统计表Tab.5 Maximum results of the stress and deformation of sealed joint

由计算结果可知，当采用方案2时，止水缝相对位移较方案1变化不大，说明接触面特性对止水缝变形几乎没有影响。当采用方案1时，在满蓄工况下垂直缝沉陷、剪切、压缩和张开的最大位移值分别为5.6mm、9.1mm、5.4mm和13.4mm；周边缝沉陷、剪切、压缩和张拉的最大位移值分别为30.1mm、14.3mm、0.2mm和25.1mm，量值均在经验范围内。