农田水利中某砌石坝体加高后静力特性分析研究

2020-12-14肖德壮

水利技术监督 2020年6期

肖德壮

(辽阳市水利事务服务中心，辽宁辽阳 111000)

我国农业生产逐渐趋于规范化、系统化，对农业生产资料及需求资源亦是规范化要求，农田灌溉需要合理科学的水资源调度，为农业化生产保驾护航[1- 4]。农田水利中还存在着一些运营时间较长、建设年代久远的水库工程，而当前这些水利工程部分已无法满足农业化生产需要，不可避免需要对其进行二次提升运营效率，为农业生产提供更多有利资源。国内外已有较多学者研究了二次加高坝体稳定性，主要通过实际工程资料的室内模型试验、数值模拟等手段，获得了一些重力坝、土石坝、砌石坝等水库工程的研究成果[5- 9]，基于ANSYS数值软件，引入有限元静力分析理论，并结合坝体加高与超载理论，分析二次加高大坝静力特性，为坝体二次加高设计施工提供重要参考。

1 有限元静力分析理论

有限元法通常对一定区域内物体单元进行微单元体划分，获得区域内节点数量，并迭代性求解，以每个微单元体的精细程度决定最终区域内解的精确度。

平面内微单元体刚度矩阵表达式为:

[K]e=∬[B]T[D][B]hdxdy

(1)

式中，e—微单元；[B]—应变矩阵；h—厚度；[D]—本构方程。

以边界条件及各节点已知运动方向，集合求解各个微单元体，进而获得总体解方程，各微单元体运动求解如下式：

{σ}={S}{a}

(2)

式中，[S]—应力矩阵。

由于运动方程中涉及对单元体连续性与非连续性变形分析，因而引入三维状态下弹塑性理论，以其中微单元体各个应力分量及方向开展平衡分析。

根据材料力学应力平衡准则，以下应力方程成立：

(3)

式中，X、Y、Z—3个坐标方向上的应力分量，且有τyx=τxy。

根据物理运动方程可知，存在以下关系：

(4)

而根据材料同性假设理论，可得应力应变方程：

{σ}=[D]{ε}

(5)

代入应变方程，求解得到应力解为：

(6)

在常见的水利工程中，常常需要进行非常规超设计值后稳定性分析，即需对一些水利设施开展设计标高或设计高程以上值工况下的应力特性分析。超设计值分析方法一般采用超水容重与超水位：第一种超水容重实质上是在控制水利设施(坝体或溢洪道等)基本几何参数与物理力学材料参数不发生变化，梯次增加设施迎水侧水容重，调控水利工程承受水压，直至获得水利工程临界破坏，此时对应的水容重与常规水容重比值称之为负荷系数；超水容重法水压力增长示意图如图1(a)所示。第二种超水位法通过控制水利设施(坝体或溢洪道等)基本几何参数与物理力学材料参数不发生变化，且水容重亦不发生变化，梯次增加迎水侧水位高程，此时水压力逐级增长，直至工程发生失稳破坏，对应的临界失稳破坏水位高度与正常蓄水位高度比值亦称之为负荷系数；超水位法荷载增加示意图如图1(b)所示。

(7)

图1 超设计值示意图

2种方法针对非常规工况下水利大坝等工程失稳性分析具有重要作用，本文将分析具体工程实例，采用有限元分析理论与超设计值载荷方法，计算坝体应力分布。

2 工程概况

某小型水库为附近农田灌溉主要水资源来源渠道，输送调度水资源至各个农田涵闸中，分配至各个农业生产地，库容超过100万m3，控制超过80km2农田面积，具有农业养殖开发项目，死蓄水位超过8m。水库坝体为砌石坝，宽度4.5m，防渗墙最高处55.2m，全长32.4m，溢洪道内管控闸室含有消力池，铺设有地下涵管，管径2.6m。本工程在20世纪70年代设计修建，初步设计最大坝高为88m，但后期根据实际使用与工程成本考虑，设计坝高65.8m，按照300a一遇洪水设计，泄流量最大设计值为750m3/s，属小型水库。根据工程地质勘察资料表明，区域内地质构造简单，包括褶皱与断裂，库区内褶皱数量约有15个，倾角较小，均低于5°，部分断裂带内发育有软弱夹层，裂隙发育较丰富，局部地段内形成有地堑，与其他断层无规律性相交，断裂带内裂隙长度均在50～90cm，延伸至岩层整合接触面，受地质力学拉伸形成，部分岩层表面可见较多孔隙。坝基位于半风化花岗岩上，中粗粒结构，室内试验测试表明，单轴抗压强度可达85MPa，上覆土层为10m厚第四系堆积土，包括砂土、黏土及砂砾石等，土体渗透系数均属于弱透水性。

由于水库运营时间较长，且初次修建施工质量不佳，导致目前水库坝体局部区段内渗漏显著，部分防渗墙破损，防渗性能较差，另一方面由于库区内断层发育，导致坝体稳定性受到威胁，局部帷幕灌浆裂隙较多，水库正常安全运营受到诸多挑战。为此，水库管理部门决定对坝体重新加高，增强库容水位，提升水库在附近农田水利发展中重要调控水资源作用。设计高程增加至202.5m，加高36.7m，坝顶宽度加宽值5.6m，防渗墙厚度增加至80cm，坝体上游坡度为1/20，更改溢洪闸坡度为1.25，坝体重新加高设计后，将增加库容300万m3，极大方便农业化生产，提高灌溉效率，加高坝体后示意图如图2所示。

图2 加高坝体后

3 砌石坝体加高后静力特性分析

3.1 计算模型及参数

由于需要确定本工程加高后砌石坝体稳定性，因而需要建立一次施工与二次加高2种模型，其中二次加高模型加高面与旧坝体接触面之间为0.25m厚的水泥砂浆，应力可以认为等效传递[10- 13]。边界约束方向分别位于坝体上下游水平荷载，及坝基底部的竖向荷载。

2种模型中所有块体结构部分均以六面体单元作为建模材料，但基岩选择的是SOLID180，其他为SOLID65单元，2种微单元体主要差异主要体现在弹性材料的可压缩能力，SOLID65选择的是一种线弹性材料。分别建立模型后，如图3所示，一次施工模型共划分出86259个单元网格，节点数92684个，二次加高模型共有92486个单元网格，节点数98687个。基岩参数选择室内花岗岩测试力学参数，浆砌石密度取2.35g/cm3，泊松比0.22，防渗墙密度设定为2.5g/cm3，泊松比0.17。边界荷载包括大坝自重、静水压力、泥沙冲淤压力、悬浮力，其中静水压力又与坝体上、下游水位有关，不同工况下，水位差会影响静水压力分布。

图3 数值模型图

3.2 静力分析

本文以校核洪水位工况条件下两种模型计算获得应力特征值开展分析。图4为一次施工模型下坝体顺河向、竖向、第一、第三主应力计算云图。从图中可看出，坝体顺河向方向上主要以压应力为主，最大压应力达到1MPa，出现在坝身坡度变化区段，此区段内也是集中了坝体压应力均质在0.8MPa以上，上游迎水侧压应力分布均在0.3MPa以上，且在同一坡度区段内，由坝基至坝顶逐渐减小，最大减小幅度达82.6%；另一方面，在左侧坝肩区域存在小区域内的拉应力，最大可达0.4MPa，分析此主要是由于泥沙冲刷作用，在两侧坝肩会出现局部拉应力集中，拉应力分布在0.09～0.4MPa。坝体竖向方向上，拉应力与压应力呈显著分区，拉应力主要集中在距坝顶高程26.5m以上区域，且在坡度变化平台以下14.8m区段内，最大拉应力值较低，仅为0.087MPa，坝身其余区段内均分布有压应力，范围为0.3～1.9MPa，由坝基至坝顶逐渐增大趋势。第一主应力云图显示坝身基本均为受压状态，压应力分布在0.24～0.83MPa，分布面积占比超过90%，最大压应力出现在上游迎水侧坝址区域；而拉应力分布区段较少，集中在两侧坝肩部位，最大拉应力达1.83MPa。第三主应力云图显示表明，最大拉应力为0.05MPa，与坝体竖向方向应力分布类似，拉应力集中在坝顶高程以下25m范围内、坡度平台处，拉应力占比区域相比竖向方向上减小了23.8%，最大值也减小了45.4%，其余地段集中有0.7～1.6MPa的压应力。

图4 应力特征值云图(一次施工模型)

图5为二次加高模型应力特征计算云图。顺河向与一次施工模型计算有所差异，不仅仅在两侧坝肩集中有拉应力，在坝顶区域亦存在拉应力，最大拉应力2种模型下相差无几，二次加高模型最大拉应力为0.35MPa；最大压应力与一次施工下亦类似，存在于变坡平台处，其余的区段内压应力均在0.16～0.75MPa，相比一次施工模型有所降低。竖向上，拉应力区段存在于坝顶以下15.5m区段、变坡度平台下9.6m区域内，最大拉应力相比一次施工模型增大了175.9%，达到0.24MPa，但占比面积相比减少了45%；压应力从坝基至坝顶逐渐减小，分布范围为1～1.8MPa。第一主应力云图表明最大拉应力为2MPa，属应力特征值中最大值，存在于两侧坝肩区域，压应力最大值为0.83MPa，存在于坝址与坝踵接触区域，坝身主要分布压应力，为0.12～0.2MPa，对比一次施工模型第一主应力，二次加高模型第一主应力拉应力较大，分布平衡性较低。第三主应力分布与一次施工模型类似，坝顶、变坡度平台等处存在拉应力，最大值为0.072MPa，其他区域，例如坝址、坝踵及坝基等部位存在压应力，但压应力值分布区域各显差异，以0.34～0.76、0.76～1.18MPa 2个区间值为主，相比一次施工模型，二次加高造成坝体各部分结构应力分布出现一定的不平衡性，局部拉应力与局部压应力无法对称减弱影响，分析是由于二次加高在结合面处影响了坝体整体应力对称分布状态。

图5 应力特征值云图(二次加高模型)

3.3 位移分析

基于应力特征值计算，得到2种模型坝体位移云图，图6为一次施工模型坝体顺河向、竖向方向上坝体位移云图。从图中可看出，最大位移量为9.9mm，位于坝顶处；各区域位移呈分层分布，沿坝基、坝踵至坡度变化平台、坝身中间溢流区段、坝顶处，位移量逐渐增大，表明一次施工模型中坝体顺河向位移分布主要集中于中间溢流区域，直接受到水压力影响。竖向位移指坝体沉降量，从沉降分布来看，两侧坝肩与坝顶接触区段沉降最大，达到23.14mm，而在坝基直接接触基岩区段，沉降量最小，中间区域段随着坝顶高程增大，沉降量依次增大。

图6 位移云图(一次施工模型)

不论是顺河向位移或是竖向位移，二次加高模型位移计算图均与一次施工模型位移云图分布类似。从量值上来看，顺河向水平位移最大位移量为8.79mm，相比一次施工减少了11.2%，同样位于坝顶中间溢流区段处，并逐渐从坝顶过渡至两侧坝肩与坝基接触区段，最小值仅为0.44mm，分布形态可用“∩”表示，中间坝顶与溢洪区段内最大。竖直方向最大沉降量与最少沉降值均与一次施工模型一致，分布区段最大、最小值也分别位于两侧坝肩处、坝基与坝趾接触处，分布形态呈“∪”，两侧坝肩最大，中间坝基坝趾最小。相比一次施工模型，二次加高后模型最大位移量承受能力极值有所减小，加高后坝体在接触面处存在一定的位移分布不均或沉降不平衡。