面板堆石坝蓄水期稳定性及施工缝变形研究

2023-07-31尹晓明

黑龙江水利科技 2023年7期

尹晓明

(黑龙江省正润水利水电工程有限公司,哈尔滨 150000)

1 绪论

混凝土面板堆石坝特点突出,在我国水利工程中应用广泛,其主要具有堆石分层碾压、混凝土薄层面板、多层止水等。和心墙坝对比,面板坝具有底宽小、坡降大、施工便利、坝体填筑量低,缩短输水、泄水建筑物尺寸,枢纽建筑衔接紧密。同时面板坝的抗滑性特点突出,从结构分析,堆石体基本位于面板下方,堆石体整体自重、面板上部静水压力反作用于水平推力。因堆石体为振动碾碾压成型,孔隙率小,渗透稳定性突出,从而通过这种摩阻力保持坝体的稳定性。堆石的排水功能降低空隙水压力,所以面板坝的抗震性效果较优。

2 土石坝非线性有限元方法

堆石坝的材料非线性包含材料和几何非线性,一般应用时定义为材料非线性,则结构体单元的平衡条件表达式为:

{ε}=[B]{δ}e

(1)

(2)

式中:{σ}为应力列向量;{ε}为应变向量;{F}e为节点力列向量;{δ}e为位移向量;[B]为应变矩阵。

线弹性体的单元应变关系符合广义虎克定律:

{σ}=[D]{ε}=[D][B]{δ}e

(3)

材料非线形的应变关系可简化为:

f({σ},{ε})=0

(4)

材料的非线形关系劲度矩阵[K]可随应力而变,其平衡方程组为:

[K({δ})]{δ}=[R]

(5)

若给土体施以应力增量{△σ},可以通过该应力状态{σ}下的弹性常数形成[D],进而求得应变增量{△ε}。在实际应用中通常选用中点增量法,每施加的一级荷载增量,计算求出位移、应力应变的增量变化,最终叠加后得出总荷载的单元总应变和位移。

3 工程实例

3.1 工程概况

某混凝土面板堆石坝位于湖北省境内,坝址流域面积352.7km2,多年平均流量为13.6m3/s。大坝正常蓄水位653.4m,总库容1.08亿m3,坝高117.2m,坝顶长273.4m,上游坝坡比为1∶1.4,下游为1∶1.2,堆石坝材料分区为水平铺盖、混凝土面板、垫层、过渡层、堆石区。

3.2 计算参数

坝体堆石料的Duncan E-B模型物理参数具体见表1。

表1 堆石体材料参数表

3.3 计算模型

沿坝轴线将坝体分为21个横剖面,坝体采用SOLID95等参单元,共划分单元7003个,节点总数57156个。坝体三维有限元网格剖分如图1所示。堆石坝面板共分为23块,其中f1和 f23宽度为6m,其余宽度均为12m,面板网格划分如图2所示。

图1 坝体三维有限元网格剖分图

(a)水平位移

3.4 计算结果

3.4.1 坝体

蓄水期水压力通过面板直接作用于坝体,选取大坝典型剖面0+095,其应力变形结果见图2。

3.4.2 面板

蓄水期的面板受力包括自重和上游的静水压力,由计算结果可知,面板水平位移向左移动且变幅增大,最大水平位移6.05cm,出现在第三、四块面板顶部;沉降变化基本没有规律性,沉降量偏小,面板最大沉降为39.7cm,在面板f6中下部位,转换成挠度为29.3cm,根据规范要求表明面板f6已产生裂缝。面板f10到f15处均出现较大的沉降量,需加强变形监测。面板的轴向应力个别部位交错出现拉、压应力,特别是左岸坝坡附近,拉应力区范围较大,最大拉应力为3MPa,中部面板最大压应力在f9中部位置,最大值6.5 MPa。顺坡向压应力分布无规律性,最大值为7.5 MPa,出现在f8和f9的中下部[1]。

由图2可知,蓄水期大坝最大沉降59.3cm,出现于上游的1/2坝高处;上游面最大水平位移2.64cm,在近左岸坝基位置;下游面最大水平位移36.3cm,在上游左岸的坝中部;最大小主应力1.04MPa,在上游面的坝基位置处;最大主应力为3.28MPa,在左岸的坝基附近。

表2和表3分别汇总L15、L7两条垂直缝的三相变位值,裂缝张开为正,错位以右低左高为正,沉降沿面板外法向为正。

表2 L15垂直缝三向变位

由表2中可见,垂直缝L7在顶、底部两侧出现张开变形,最大张开量10.17cm,在中部大都呈关闭状态,变化规律和面板轴线方向的应力变化基本一致。错位变化量较小,平均错位14mm,最大错位出现在该缝中部以下。垂直缝沉陷平均值-23.3cm,最大为35.5cm,位置在缝的中部偏下处[2]。

由表3可知,垂直缝L15挤压作用明显,中下部作用大于上部,变化关系和面板的轴向应变规律基本相同。下部错位变形量平均为14mm,最大变形量位于面板底部,为19mm。对比可知L7要比L15的竖向变形大,平均保持在20cm,最大竖向变形量为26.4cm,出现在面板的中下位置处,周边缝最大张开量11.5mm,在坝体右岸的坝坡位置,最大错位变形22.6mm,位于垂直缝L13底部。