基于空间差异的沥青混凝土心墙水力劈裂数值模拟分析

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

沥青混凝土心墙坝作为一种新兴坝型，具有抗渗性能好，适应能力强的突出优势，近年来，在水利工程建设中得到广泛应用[1]。迄今为止，我国已经建成的沥青混凝土心墙坝运行良好，并未发生事故[2]。但是，该坝型坝正逐步向地质不良地区推广应用，其坝体质量控制问题不容忽视。根据相关统计，大坝事故的主要诱因是坝体裂缝和渗漏，如果不采取较好的补救措施，极有可能导致水力劈裂的发生[3]。因此，利用有限元分析法判断坝体安全问题具有重要意义。目前，相关研究均假定同一分区材料力学参数相同，但是在实际施工过程中的施工质量空间差异，必然导致材料在物理力学参数方面的空间分布不均。本文基于坝体材料参数的空间差异，对沥青混凝土心墙水力劈裂问题进行研究，为大坝的安全运营提供有益参考。

1 工程背景

拟建中的双龙水电站位于辽宁省宽甸满族自治县太平哨镇二龙渡村境内半拉江干流上，在已建成的高龙泡水电站下游，为典型的河床式水电站。双龙水电站大坝为斜心墙土石坝，坝顶高程160.00m，最大坝高56m。大坝按百年一遇洪水设计、千年一遇洪水校核，正常蓄水位157.50m，校核水位158.50m，汛期限制水位为152.00m。大坝坝基上游为砂砾石和砂质黏土覆盖层，靠近河床部位的覆盖层均为厚度较大的砂砾石，最大厚度可以达到14m，平均厚度为7.30m。坝基采取壤土齿槽防渗。大坝坝体共分为四个不同的材料分区，分别为堆石料Ⅰ区、堆石料Ⅱ区、过渡层区和沥青混凝土心墙区。半拉江流域属于中温带大陆性季风气候，多年平均气温2.30℃，多年平均降水量765.30mm，且年内分布不均，降水主要集中于夏季的6—9月，且多短时暴雨。从地形地貌来看，项目所在地区属于长白山系，区内山脉多南北走向，由于受到鸭绿江水系的强烈侵蚀作用，呈现出群峰耸立、山高谷深的地貌景观。从地层岩性来看，基底埋藏较深，沉积盖层主要是泥盆系、三叠系至下第三系地层，主要由海相碳酸盐和浅海、滨海碎屑岩构成。

2 有限元计算模型的构建

2.1 计算软件的选取

ABAQUS 软件是一款专门的非线性有限元力学分析软件[4]。该软件基于自身丰富的单元库和材料模型库，可以完成任何复杂形状的建立以及常见工程材料的模拟。作为一种通用仿真计算工具，该软件可以高效解决许多结构应力变形问题，为各种土木工程中的各种问题提供有效解决方案[5]。因此，本文选取ABAQUS 三维有限元软件进行沥青混凝土心墙水力劈裂数值模拟分析。在水利工程建设过程中，工程结构会受到诸多因素的干扰而达不到理想设计状态，并使工程结构本身具有随机性。因此，本文研究中采取蒙特卡罗直接抽样法对材料参数进行抽样分析，直至有限元计算结果达到统计稳定，并根据随机反应样本的统计分析，对混凝土心墙的总体特征进行估计[6]。

2.2 模型的构建

利用ABAQUS 三维有限元软件进行双龙水电站沥青混凝土心墙坝计算模型的构建，规定坝轴线方向为X轴，其中指向左岸的方向为正方向；竖直向上的方向为Y轴正方向；垂直于坝轴线的方向为Z轴，指向下游的方向为正方向。模型采取8节点六面体C3D8单元进行模型的网格剖分，共获得26832个计算单元。其中，沥青混凝土心墙坝共剖分为8165个计算单元，沥青混凝土心墙共剖分为468个计算单元。模型的大坝地基通过截断选取，竖直方向为向下50m，底部施加固定位移约束，水平方向截断长度为50m，在其界面上也施加固定位移约束[7]。

2.3 计算参数

研究过程中，对大坝堆石体所用的材料采用邓肯-张E-B非线性模型进行计算[8](主要参数见表1)。

表1 大坝材料计算参数

3 计算结果与分析

3.1 设计工况计算结果与分析

利用构建的三维有限元计算模型对设计工况下的大坝应力分布进行模型计算，在计算结果中提取大坝上游迎水面中线部位各个计算节点的小主应力、中主应力和大主应力计算结果，获得水压力和心墙迎水面小主应力、中主应力和组合应力在相对高程上的分布特征(见图1)。由计算结果可知，沥青混凝土心墙上游迎水面的小主应力、中主应力和组合应力均大于同一位置的库水压力，因此，心墙不会发生水力劈裂。相比而言，以小主应力作为判断标准时，心墙发生水力劈裂的可能性最高，中主应力次之，组合应力最小，并且沥青混凝土心墙的上部较下部更易发生水力劈裂。由此可见，在工程设计中进行劈裂标准判别时，选择小主应力作为判别标准得到的结果相对比较保守，相应的设计结果会偏于安全。

图1 设计工况下心墙应力沿相对高程分布曲线

3.2 空间差异下的计算结果分析

在考虑空间差异的条件下，对大坝沥青混凝土心墙上游迎水面中线部位的小主应力、中主应力和大主应力进行600次模拟计算，将模拟计算结果的平均值和标准差与设计工况下的计算结果进行对比分析，并根据对比结果，获得水压力和心墙迎水面小主应力、中主应力和组合应力在相对高程上的分布特征(见图2～图4)，各节点的小主应力、中主应力和大主应力的随机有限元模拟结果见表2。由表2可知，随机有限元模拟均值和设计工况下的计算结果比较一致，差距并不明显。由图3可知，沥青混凝土心墙在相对高程50～60m的部位小主应力与水压力值最为接近，属于心墙水力劈裂易发部位。因此，选取该部位的No.3025，以及沥青混凝土心墙的中部和底部的No.1498与No.5559作为特征点，提取其小主应力、中主应力和组合应力，600次随机有限元模拟计算结果显示，上述三个特征点位的三个应力值均大于水压力，没有发生水力劈裂现象。

图2 中主应力沿大坝相对高程分布对比

图3 小主应力沿大坝相对高程分布对比

图4 组合应力沿大坝相对高程分布对比

表2 各节点主应力随机有限元模拟结果

4 结 语

综上所述，双龙水电站沥青混凝土心墙的质量较高，此次随机有限元模拟结果显示心墙不会发生水力劈裂。其中，在工程设计中进行劈裂标准判别时，选择小主应力作为判别标准得到的结果相对比较保守，相应的设计结果会偏于安全，而采取组合应力判断，则存在发生水力劈裂的可能性。从小主应力的分布特征来看，沥青混凝土心墙的上部更容易发生水力劈裂，是施工质量控制的关键部位。