某闸坝结构滑移破坏有限元仿真分析

2020-05-22唐少龙万小强

江西水利科技 2020年2期

熊威，刘智，王姣，唐少龙，万小强

（江西省水利科学研究院，江西省水工安全工程技术研究中心，江西南昌 330029）

0 引言

理论计算是水工结构设计阶段获取结构应力、变形和安全度的主要途径。物理模型试验技术是验证新材料和新设计方法可靠性的实践基础[1]。与前两种方法相比，数值模拟技术不仅能够仿真不同荷载作用下的应力变形，同时还能验证新理论方法的可行性，在研究结构应力变形方面更为全面与灵活[2，3]。近几十年来，随着人工智能和计算机技术的快速发展，各种数值模拟方法逐渐被引入到结构应力变形的研究中[4]。周伟等[5]采用三维弹塑性有限元方法，对溪洛渡高拱坝的坝体坝基系统进行了渐进破坏过程计算分析，取得了预期成果。陈欣等[6]利用三维非线性有限元程序对锦屏拱坝进行了破坏仿真分析，并探讨了结构失稳的判据。李火坤等[7]基于FLOW-3D软件建立了堤防决口水流模拟的三维数值模型，得到封堵过程中决口附近水位场和流速场分布规律，取得了较好的效果。有限元仿真方法作为数值模拟方法中的一种，已被广泛应用于多个领域，其对于结构应力变形状态研究也已经相当成熟[8]，研究水平已经能够一定程度地对结构的破坏过程进行仿真，与试验及实际工程现象进行定量比较，可更直观的反映结构的破坏过程。

本文以某闸坝滑移破坏实例为研究对象，结合现场查勘、设计和施工资料建立有限元仿真模型，通过折减破坏部位接触面上的抗剪断参数，仿真结构破坏过程，并探讨其破坏原因。

1 工程概况

某闸坝工程是一座以改善城市水环境、增加旅游景观为主，兼有河道整治、改善生态环境和发电等综合效益的水利枢纽工程。工程主要由溢流坝段（含高堰泄水闸坝、低堰泄水闸坝）和厂房坝段组成，全长300.58m。其中，高堰泄水闸坝长226.50m，由22孔泄水闸和3个闸墩组成，单孔净宽10.00m。闸坝为混凝土结构，采用钢质翻板闸门挡水，溢流堰为宽顶堰，堰顶高程179.50m（黄海高程，下同），采用底流消能，消力池池长10.00m，底板厚0.80m，在消力池末端设置消力坎，坎厚1.00m，高堰泄水闸坝结构剖面如图1所示。

本次滑移破坏发生在高堰泄水闸坝段（桩号0+074.08～桩号0+154.08），工程仍有低堰泄水闸坝段、发电厂房坝段以及部分高堰泄水闸坝段处于正常运行状态。闸坝结构滑移破坏现场情况如照片1～2所示。

图1 高堰泄水闸坝结构剖面图

照片1 闸坝滑移现场情况1

照片2 闸坝滑移现场情况2

2 仿真分析

2.1 仿真模型

为了探索结构破坏的原因，本节通过建立仿真分析模型，模拟工程实际工作性态及其滑移过程。高堰泄水闸结构在基底及上下游方向延伸约1.5倍闸墩高度形成地基，模型共有节点数164 237个，单元数149 872个，模型如图2所示。本次结构破坏过程中钢筋未对闸墩位移起约束作用，因此仿真模型中未设立钢筋单元。本次仿真计算设置的主要潜在滑动面及开裂面包括：堰体下部C10埋石混凝土与上部C20混凝土堰面之间的结合部位、二期C30混凝土与堰面C20混凝土之间结合部位、二期C30混凝土与下部C10埋石混凝土之间的结合部位、上部1.00m厚C20混凝土堰面两次浇筑之间的结合部位。接触面模型如图3所示。

图2 高堰泄水闸坝结构有限元仿真模型

图3 结构潜在滑动面及开裂面接触单元模型示意图

2.2 材料力学参数

由于缺少材料力学性能参数的相关资料，本次仿真计算材料参数按照《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）混凝土标号建议值进行取值，具体参数如表1所示。

本次闸坝破坏形式不同于建基面滑动或地基深层滑动，潜在滑动面出现在混凝土分层浇筑的结合部位。由于无法对现场结构的层间抗剪断参数开展原位试验，本次仿真结构潜在滑动面的层间抗剪断参数参照《碾压混凝土坝设计规范》（SL 314-2018）进行估值，我国部分碾压混凝土工程层间面抗剪断参数如表2所示，经综合比较分析后，工程潜在滑动面的层间抗剪断参数基准值采用摩擦系数和凝聚力。

2.3 边界条件及荷载组合

本次仿真计算采用基于不连续介质力学的混合算法，在模型水平方向施加法向约束，地基底部施加三向约束，潜在张开、滑移块体部位不施加约束。计算荷载包括闸门承受的静水荷载及结构自重荷载，破坏时坝前水位为183.23m，闸门挡水水头3.73m，通过工程潜在滑动面的层间抗剪断参数变化将本次仿真分析分为3个工况，其荷载组合详见表3。

表1 材料力学性能参数

表2 国内部分工程碾压层间面抗剪断参数表（现场原位试验）

表3 仿真分析各工况荷载组合

计算分为两个运行块进行，第一块仅地基参与计算，计算的结果位移清零，应力不清零，作为下一块计算时的初始状态，即扣除地基沉降，但保持初始地应力；第二块地基与结构共同参与运算，分析结构的工作性态。

2.4 仿真结果分析

通过改变层间抗剪断参数，总结不同参数对工程破坏形态以及位移量值的影响，初步判断实际破坏发生时结构潜在滑动面部位的力学性能指标。在充分考虑结构间相互制约作用的同时简化仿真计算量，提高计算效率。将溢流堰面上游部位按模型分区将节点打断，闸墩之间的堰面潜在滑动面抗剪断参数采用一较大的固定值，不随其它接触面抗剪断参数进行折减。

（1）工况1仿真结果分析

工况1时单段闸坝结构变形示意图见图4～5，结构各向位移量值均处于有限元范畴的微小变形阶段，其中顺水流向位移最大值为8.55mm，垂直水流向位移最大值为8.14mm，均出现在闸门部位。静水压力作用下，闸门、闸墩及下游溢流堰面整体向下游方向移动，其中下游溢流堰面在闸墩推力及接触面上约束共同作用下，尾部轻微变形，此时结构整体处于正常稳定运行。因此，当层间抗剪断参数采用基准值时，潜在滑动面及开裂面均保持完好。

图4 工况1时单段闸坝结构变形示意图

图5 工况1时整体闸坝结构变形示意图

（2）工况2仿真结果分析

工况2时闸坝结构变形示意图见图6～7，结构各向位移量值已脱离有限元微小变形范畴，其中顺水流向位移最大值为115.48mm，竖直水流位移最大值为59.03mm，均出现在闸门部位。静水压力作用下，闸门整体扬起并向下游方向移动，推动闸墩与两侧溢流堰面和底部一期混凝土之间发生滑动，下游溢流堰面在闸墩位移作用下在尾部区域开裂，并形成与上游溢流堰面之间的贯穿裂缝，导致脱开形成一块准脱离体，其破坏形态与现场实际观测形态相似，但位移量较现场观测数值低。因此，当层间抗剪断参数进行0.5倍折减时，潜在滑动面及开裂面均出现一定程度的脱开现象。

（3）工况3仿真结果分析

图6 工况2时单段闸坝结构变形示意图

图7 工况2时整体闸坝结构变形示意图

工况3时闸坝结构变形示意图见图8～9，各向位移量值相比工况2进一步增大，其中顺水流向位移最大值为807.85mm，垂直水流向位移最大值为146.60mm，均出现在闸门部位。静水压力作用下闸门整体扬起并推动闸墩及下游溢流堰面向下游方向整体移动，此时闸门、闸墩与下游溢流堰面形成了整体的脱离块体。此时可初步判断结构已发生严重破坏，其破坏形态、位移量均与现场实际观测形态相似。因此，当层间抗剪断参数进行0.2倍折减时，潜在滑动面及开裂面均完全脱开。

各工况下结构变形最大位移值见表4。