沥青混凝土心墙风化料坝施工过程精细化仿真模拟

2022-10-24吴志波江守燕黎亚生杜成斌刘翰昇

三峡大学学报(自然科学版) 2022年5期

吴志波江守燕黎亚生杜成斌刘翰昇

(1.云南省水利水电勘测设计研究院,昆明 650021;2.河海大学力学与材料学院,南京 211100)

沥青混凝土心墙坝是近些年来兴起的一种水工坝体结构,已成为具有极大发展潜力和实用性的新型坝型[1-2].近年来,沥青混凝土心墙坝的建设规模越来越大,坝体越建越高,如三峡茅坪溪沥青混凝土心墙土石坝最大坝高104 m(2003年竣工)[3-4]、新疆下坂地沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高81 m[5]、四川冶勒沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高125 m(2005年竣工)[6].而且,很多坝体修建在环境恶劣、地质条件复杂、地震烈度高的西南、西北地区,导致坝体在修建的过程中容易发生大规模的不均匀沉降,严重威胁大坝的安全,数值仿真模拟在研究坝体的应力应变分析中有着其独特的优点[7-13].

王相峰等[9]采用邓肯-张模型对浇筑式沥青混凝土心墙坝的应力与变形进行了有限元分析计算,得到了浇筑式沥青混凝土心墙的温度和沥青用量对不同坝高情况下心墙工作性态的影响.谢庆明等[10]和黎亚生等[11]对沥青混凝土心墙风化料坝的静动力响应进行了分析,为该坝的设计和施工提供了指导.李炎隆等[12]采用三维非线性有限元技术,结合某沥青混凝土心墙坝工程,在静力分析的基础上对大坝的动力特性及抗震安全性进行了动力反应分析.罗博华等[13]考虑覆盖层材料静力参数随机、动力参数随机和二者均随机情况下,分析了沥青混凝土心墙坝坝顶、心墙顶水平向峰值加速度和坝体竖向永久变形的均值、变异系数及95%的置信区间限值等统计规律及概率分布检验.

随着系统仿真理论的不断发展,利用数值仿真软件可以对沥青混凝土心墙坝进行施工全动态仿真模拟,描述沥青混凝土心墙性质,预测大坝在不同工况下沥青混凝土心墙坝各项参数的合理取值范围和工作性态,还可以通过结果的分析提出一些施工的改进措施,优化施工方案,可以对沥青混凝土心墙坝在设计和施工上的工程难题提出有益的建议.我国水利水电事业正处于快速发展阶段,未来百米级高沥青混凝土心墙坝的修建已是无可避免的趋势,利用数值仿真软件开展百米级高沥青混凝土心墙坝的受力特性研究,具有重要的理论和工程指导意义.

1 工程概况

轿子山水库地处昆明市东川区红土地镇境内,位于金沙江流域小江左岸一级支流小清河中游,属金沙江水系二级支流.水库距东川区约76 km,距昆明市233 km.轿子山水库是以供水为主要任务的综合利用中型水利工程,水库总库容2 033万m3,工程由枢纽工程和渠系工程组成.枢纽工程由大坝、溢洪道、导流泄洪隧洞、输水隧洞组成.大坝为沥青混凝土心墙风化料坝,图1为大坝的基本剖面图(坝横0+140 m 剖面),最大坝高99 m,坝顶宽10 m,坝顶长320 m.轿子山水库沥青混凝土心墙风化料坝是目前云南省在建的最高一座沥青混凝土心墙坝,也是在强震区建设的第一座沥青混凝土心墙坝.主体工程于2015年11月开工建设,2016年4月底完成度汛坝体填筑,2018年6月,大坝填筑至2167 m 高程,填筑高度62 m.2022年3月大坝已蓄水至正常蓄水位2 201.5 m 高程,图2为蓄水至正常蓄水位的轿子山水库大坝.

图1 大坝坝横0+140 m 剖面

图2 蓄水至正常蓄水位的轿子山水库

2 计算模型

2.1 有限元网格

选取二维典型剖面坝横0+140 m 断面进行精细化计算(该剖面坝高99 m),计算中采用的二维有限元计算网格如图3所示,在二维有限元分析中单元类型为四结点四边形等参单元.选取的坐标系x方向顺河流向(指向下游为正),y方向正向竖直向上.坝体和地基系统共有9 747个结点,9 541个单元,其中坝体包括6 064个结点和5 889个单元.基岩范围沿上、下游分别延伸约2倍最大坝高,向基础深部延伸约2倍最大坝高.

图3 二维典型断面(坝横0+140 m)有限元计算网格

2.2 材料本构模型及参数

坝体材料分区如图4所示,计算中共考虑了5种材料.针对不同的材料特性,数值计算主要采用了两种材料本构模型:线弹性本构模型和邓肯-张非线性弹性本构模型(E-v本构模型).计算中,对于基岩、帷幕、混凝土基座采用线弹性本构模型进行计算,参数见表1.黏土斜墙、围堰料、度汛坝体料、坝壳砂岩泥岩强弱风化料、弱风化砂岩堆石料、沥青混凝土以及过渡料采用邓肯-张E-v本构模型,参数见表2.

图4 材料分区示意图

表1 线弹性材料参数

表2 静力计算邓肯-张E-v 模型参数

3 分级加载方式

综合考虑网格质量及大坝施工过程,且考察每级施工填土厚度对大坝整体应力-变形的影响,考虑两种分级加载方式,二维典型断面(坝横0+140 m)分级加载模拟分别采用21级(分级加载方式1)和42级(分级加载方式2),见表3～4,分级加载方式2细化了分级加载方式1中的坝体填筑过程.

表3 大坝施工及蓄水过程模拟(分级加载方式1)

表4 大坝施工及蓄水过程模拟(分级加载方式2)

4 大坝应力-变形分析

4.1 填土厚度对大坝整体应力-变形的影响

表5～6分别列出了两种分级加载方式下二维典型断面非线性有限元静力计算得到的坝体变形和应力极值,分级加载方式2每层填土厚度均小于分级方式1.

表5 坝体变形和应力极值(分级加载方式1)

表6 坝体变形和应力极值(分级加载方式2)

从表中可以看出,填土厚度对大坝整体应力-变形影响不大,每层填土厚度较小时,计算得到的坝体最大水平位移有所减小,减小了约7.10%;最大沉降值有所增加,增加了约1.46%;填土厚度对坝体应力的影响可忽略不计.

采用分级加载方式1进行施工模拟时,计算得到的竣工期坝体最大沉降值为69.73 cm,出现在大约2/3坝高处,约占最大坝高(99 m)的0.70%;坝体上游部分的水平位移呈现向上游变位的趋势,其最大值为11.10 cm,坝体下游部分呈现向下游变位的趋势,其最大值为19.09 cm,发生在约2/5坝高靠近下游坝面附近.

采用分级加载方式2进行施工模拟时,计算得到的竣工期坝体最大沉降值为70.72 cm,出现在大约2/3坝高处,约占最大坝高(99 m)的0.71%;坝体上游部分的水平位移呈现向上游变位的趋势,其最大值为11.22 cm,坝体下游部分呈现向下游变位的趋势,其最大值为17.88 cm,发生在约2/5坝高靠近下游坝面附近.

综上所述,分级加载方式1采用21级进行施工模拟计算得到的坝体应力-变形已满足精度要求,两种分级加载模拟方式得到大坝变形最大值所处的位置基本一致,进一步细化分级模拟对大坝整体的应力-变形影响不大.

4.2 心墙-过渡料接触面材料参数对大坝整体应力-变形的影响

由于精确模拟心墙与过渡料之间接触较为困难,在ABAQUS软件中计算难以收敛,研究中通过在心墙与过渡料之间设置薄层单元,薄层单元厚度为20 cm,通过薄层单元的材料参数变化近似反映心墙与过渡料之间的弱界面对大坝整体应力-变形的影响,薄层单元的材料本构模型采用线弹性模型,采用分级加载方式1进行施工过程模拟.

表7列出了薄层单元不同材料参数下竣工期整体大坝应力-变形结果,薄层单元弹性模量从1 MPa变化到50 MPa,继续减小弹性模量,计算结果不符合土石坝的变形规律.从表7可以看出,与不设薄层单元相比,即不考虑心墙与过渡料之间的弱界面,设置薄层单元后,坝体的最大水平位移基本呈减小趋势,但减小的幅度很小,减小量最大为5.81%;坝体最大沉降量有所增加,最大增加量为21.8%.由于大、小主应力最大值均发生在坝体靠近底部混凝土基座附近,不考虑心墙与过渡料之间的弱界面时,该处材料特性变化梯度较大,计算得到的应力较大,考虑心墙与过渡料之间的弱界面时,大、小主应力均有所减小.弱界面的存在对大坝整体应力-变形的分布规律影响不大,不改变变形最大值及应力最大值所处的位置.

表7 薄层单元不同材料参数下竣工期整体大坝应力-变形结果

图5给出了薄层单元不同材料参数下心墙应变随高程的变化曲线,从图5可以看出,心墙主要表现为压应变,应变值随高程增加而减小,应变量变化范围为0～0.03ε,在高程2 150 m 以上,薄层单元材料参数对心墙应变影响不显著,但在高程2150 m 以下,薄层单元材料参数对心墙应变有较明显的影响,薄层单元弹性模量越小,压应变越大.

图5 薄层单元不同材料参数下心墙应变随高程变化曲线

综上所述,对于本工程,即使按照不考虑心墙与过渡料之间的弱界面进行计算,计算结果也是偏于安全的,虽然考虑心墙与过渡料之间的弱界面时最大沉降量有所增加,但增加量仍可控制在22%以内.

4.3 心墙温度对大坝整体应力-变形的影响

沥青混凝土为温度敏感性材料,在不同温度下会表现出不同的材料特性,由于本工程缺少不同温度下沥青混凝土材料参数,参照文献[9]提供的不同温度下沥青混凝土材料参数,分别研究不同温度(5℃,10℃,15℃)对大坝整体应力-变形的影响.表8 列出了不同温度下竣工期整体大坝的应力-变形结果.从表8可看出,随着温度的升高,大坝的竖向沉降量和水平位移逐渐增大,但增幅不明显,说明沥青混凝土的温度对大坝位移的影响较小.随着温度的升高,大坝大主应力极值逐渐减小,大坝小主应力极值呈增加趋势.但总体来看,大坝的工作性态对温度的反应并不敏感.