复合断面防洪堤有限元静力分析

杨树祺

(东莞市东莞大堤管理处,广东 东莞 523000)

1 概 述

近年来,由于经济的快速发展,对自然环境造成较大破坏,提高了自然灾害出现的频率[1],灾害类型也逐渐増多。在各类灾害中,洪水所影响的范围和造成的损失较大,且发生的频率较高[2]。为了应对洪水灾害,采取许多工程措施,如新建水利大坝、防洪堤、修复老旧水库等,均取得了显著效果。其中,防洪堤因其施工方便、性价比较高等优点而广泛应用在防洪工程建设中[3-5]。因此,研究防洪堤在使用时的受力和变形尤为重要。

基于此,本文以实际工程为例,分析复合断面防洪堤的静力变化特征,其中土堤和混凝土挡土墙相结合为其结构类型[6],借助有限元分析软件,模拟其在完建工况和设计洪水位工况下的变形和应力变化,可为相关工程提供参考和借鉴。

2 项目概况和建立模型

2.1 防洪堤概况

某河流大坝防洪堤选择复合断面的形式,即土堤与混凝土挡墙相结合的结构类型。混凝土挡土墙高6m,其顶部有高1m的混凝土防浪墙,并将土填在防浪墙后部。其面板厚0.4～0.8m,底板宽4.8～6m、厚0.5～1m,基础垫层选择C15素混凝土,厚10cm。防洪堤顶部宽3.7m,背水坡坡比1:1.5,护坡形式选择生态袋护坡,在坡脚部位设置预制混凝土排水沟。为了保证防洪抢险需要,顶部设置防汛道路,宽3.5m。在上游位置的混凝土墙底部设置水泥土搅拌桩防渗墙,以此降低浸润线。参考河流岸坡的地形、地质条件开展治理工作,在长期被水流冲刷的位置,选择混凝土预制六角形砖或浆砌石进行护坡,以提高堤岸的稳定性。此种防洪堤形式基础是原状地基,防洪墙后有填土,稳定性较高,同时造价较低。见表1。

表1 4个典型工作点使用期间的性能参数

2.2 模型建立

本次研究选择复合断面防洪堤的一个典型断面,开展模拟分析工作。借助有限元分析软件,根据复合断面防洪堤的大小,构建其有限元数值模型。在构建模型时,设置地基基础的表面高程为0m。本次计算主要包括两种工况:第一种工况为设计洪水,即防洪堤前的水位为5.18m,而在防洪堤后没有水存在;第二种为完建工况,即在防洪堤前后都没有水存在。参考防洪堤实际大小建立模型,设置基础长度和深度分别为10和6m,防洪堤后有交通道路3.5m。

在模型建立过程中,由于各部分材料不同,对应选择的结构单元也不一样。针对土堤和基础,选择Solid45单元;针对混凝土挡土墙,选择Solid65单元。进行模型网格划分时,土堤和基础的网格尺寸均为0.4×0.4×0.4m,混凝土挡土墙的网格尺寸为0.2×0.2×0.2m。在设置约束条件时,对于基础底面设置全约束;土堤和基础左右两边设置X向约束,前后两边设置Z向约束。表2为模型相关计算参数,并且地基、土堤和挡土墙的摩擦系数为0.5。

表2 模型相关计算参数

3 静力分析结果

根据复合断面防洪堤的结构特点,选择静力线性对其结构进行分析。在计算结构静力时,主要以位移和应力两个角度为出发点,位移方面要符合国家相关规范中的要求,应力方面要达到材料的性能要求。

3.1 设计洪水工况

根据现场实际测量,得出防洪堤的内摩擦角和弹性模量。当工况为设计洪水位时,在防洪堤前存在5.18m的设计水位,在防洪堤后水位则为0,因此会受到扬压力与水压力荷载的作用。对防洪堤在这些荷载下的位移变化进行数值计算,其位移在竖直方向的变化见图1。

从图1能够看出,工况为设计洪水位时,随着深度的增加,防洪堤地基沉降值不断减小,基础沉降峰值为20mm,位于防洪堤下部。竖直方向上混凝土挡墙的位移峰值为20.3mm,位于混凝土挡墙和踵板相接的右部。结构整体的竖向位移峰值为26.2mm。参考防洪堤设计规范,其基础沉降量符合规范要求。

图2、图3为计算后设计洪水位工况下竖直和水平位移变化趋势。由图2、图3可知,在自重、水压力等荷载作用下,混凝土挡墙结构在垂直方向上的位移呈现空间分布形式。在图2中,Y和轴向位置分别代表混凝土挡墙取点处到其底板表面(垂直)与结构边缘(水平)的距离,随着Y值的增大,即混凝土挡土墙高度的提升,其竖向位移也不断增加,并且同一水平面内,此竖向位移对称于挡土墙的肋板。位移峰值位于混凝土挡土墙肋板和面板相接位置,约为19.96mm,其应变处于材料弹性范围中。

图2 工况为设计洪水位时结构竖向位移变化趋势

图3 工况为设计洪水位时结构水平位移变化趋势

在图3中,竖向位置和Z分别代表混凝土挡墙取点处到其底板表面(垂直)和结构边缘(水平)的距离。随着高度的增大,混凝土挡土墙水平位移也在不断增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土挡土墙面板和肋板相接的顶部,为9.3mm,其应变值也处于材料弹性范围中。

借助有限元分析软件开展数值计算后,得到结构的拉应力和压应力分别为第1和第3主应力。第1主应力峰值为1.1MPa,出现在防洪堤混凝土挡墙底板和面板相接的位置。根据国家相关标准,得到C30混凝土的抗拉强度设计值(最大拉应力)为1.43MPa,表明在设计洪水工况下混凝土挡墙的抗拉性能达到设计标准。第3主应力峰值为1.93MPa,同样出现在防洪堤混凝土挡墙底板和面板相接的位置,并且处于迎水侧。根据国家相关标准,得到C30混凝土的抗压强度设计值(最大压应力)为14.3MPa,表明在设计洪水工况下混凝土挡墙的抗压性能达到设计标准。

3.2 完建工况

在完建工况下,复合断面防洪堤前后水位均为零。因此,不存在扬压力和水压力荷载,仅在自重荷载下开展数值计算与分析。经过数值计算和结果的整理后,防洪堤在竖直方向上沉降位移见图4。

图4 完建工况时复合断面防洪堤位移云图

由图4可知,防洪堤地基沉降值会随着深度的提高而不断降低,基础沉降量峰值为21mm,位于防洪堤下部。混凝土挡土墙在垂直方向的位移峰值为22.3mm,位于混凝土挡墙和踵板相接的右侧。整体结构在垂直方向上的位移峰值为28.2mm,位于土堤顶部。参考防洪堤相关设计标准,防洪堤沉降量在规定范围内。

整理汇总计算结果后绘制成图,得到完建工况下位移变化趋势,见图5、图6。在图5中,Y和轴向位置分别代表混凝土挡墙取点处到其底板表面(垂直)与结构边缘(水平)的距离,随着Y值的增大,即混凝土挡土墙高度的提升,其竖向位移也不断增加。位移峰值位于混凝土挡土墙肋板和面板相接位置,约为16.89mm,其应变处于材料弹性范围中。

图5 完建工况下结构竖向位移变化趋势

图6 完建工况下结构水平位移变化趋势

在图6中,竖向位置和Z分别代表混凝土挡墙取点处到其底板表面(垂直)和结构边缘(水平)的距离。随着高度的增大,混凝土挡土墙水平位移也在不断增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土挡土墙面板和肋板相接的顶部,为4.3mm,其应变值也处于材料弹性范围中。

借助有限元分析软件开展数值计算后,得到结构的拉应力和压应力分别为第1和第3主应力。第1主应力峰值为1.25MPa,出现在防洪堤混凝土挡墙底板和面板相接的位置。根据国家相关标准,得到C30混凝土的抗拉强度设计值(最大拉应力)为1.43MPa,表明在设计洪水工况下混凝土挡墙的抗拉性能达到设计标准。第3主应力峰值为2.57MPa,同样出现在防洪堤混凝土挡墙底板和面板相接的位置,并且处于迎水侧。根据国家相关标准,得到C30混凝土的抗压强度设计值(最大压应力)为14.3MPa,表明在设计洪水工况下混凝土挡墙的抗压性能达到设计标准。

4 结 论

为了分析复合断面防洪堤静力变化特征,本次研究借助有限元分析软件,模拟其在完建工况和设计洪水位工况下的变形和应力变化。结论如下:

1)工况为设计洪水位时,随着深度的增加,防洪堤地基沉降值不断减小,基础沉降峰值为20mm,位于防洪堤下部。竖直方向上混凝土挡墙的位移峰值为20.3mm,位于混凝土挡墙和踵板相接的右部。结构整体的竖向位移峰值为26.2mm。参考防洪堤设计规范,其基础沉降量符合规范要求。

2)随着混凝土挡土墙高度的提升,其竖向位移也不断增加,并且同一水平面内,此竖向位移对称于挡土墙的肋板。位移峰值位于混凝土挡土墙肋板和面板相接位置,约为19.96mm,其应变处于材料弹性范围中。随着高度的增大,混凝土挡土墙水平位移也在不断增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土挡土墙面板和肋板相接的顶部,为9.3mm,其应变值也处于材料弹性范围中。借助有限元分析软件开展数值计算后,得到结构的拉应力和压应力分别为第1和第3主应力,两主应力峰值均达到设计标准。

3)在完建工况下,防洪堤地基沉降值会随着深度的提高而不断降低,基础沉降量峰值为21mm,位于防洪堤下部。混凝土挡土墙在垂直方向的位移峰值为22.3mm,位于混凝土挡墙和踵板相接的右侧。参考防洪堤相关设计标准,防洪堤沉降量在规定范围内,且应变值也处于材料弹性范围中,表明结构的拉应力和压应力均达到设计标准。