搜索混凝土面板堆石壩三維非線性有限元應力變形分析
2013-06-18 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
1 工程概況
鯉魚塘水庫水庫混凝土面板堆石壩工程最大壩高105m。壩址河谷形態呈不對稱“V”形,岸坡左陡右緩。左岸坡坡角60°~70°;右岸地形稍緩,坡角為30°~50°。部分地段分布有殘、坡積物及崩塌堆積物。河谷寬約50m,常水位水面寬度10~20 m,正常蓄水位時河谷寬度222~285m。上下游坡面均為1:1.4,面板共設置21條垂直縫,分縫寬度12m。壩址出露的地層為侏羅系中統千佛巖組(J2q)砂巖、粉砂巖及粉砂質泥巖,分別為堅硬、中等堅硬巖石及軟巖。巖層走向垂直于河流且傾向上游,為橫向谷。河床為沖、洪積漂石、卵礫石夾砂,松散,厚度0~3 m。左岸基巖裸露,右岸除局部覆蓋有1~5m的塊石、碎石夾亞粘土外,大部分岸坡基巖裸露。大壩主堆石區石料采用溢洪道等建筑物開挖料和壩址下游料場砂巖石料,巖性較堅硬;次堆石區石料部分采用砂巖、粉砂巖及粉砂質泥巖,其中泥巖所占比例較大,軟化系數較低,巖性較為軟弱。壩體材料分區的基本剖面圖如圖1所示。
2 計算方法與參數
在有限元計算中,混凝土面板堆石區采用Duncan-Change E-B非線性本構模刑模擬應力應變關系,計算參數見表1。面板壩上游石渣護面、粘土鋪蓋均考慮為透水邊界;設置了混凝土面板垂直縫和周邊縫以反映變形的不連續性。混凝土面板按照線彈性材料考慮,忽略混凝土的拉應力開裂效應。壩體二維有限元模型的單元網格見圖2。二維單元剖分單元總數為6588,周邊縫單元數為70,垂直縫單兒數253,節點總數為7420。
3 計算結果
利用有限元分析軟件ABAQUS中增加的Duncan-Chang模型,完成了混凝土面板堆石壩的二維非線性有限元應力應變分析。ABAQUS中以拉應力為正,而土工計算中以壓為正,所以在應力石圖中對大主應力顯示為小主應力,對小主應力顯示為大主應力。
施工期間,壩體最大橫斷面沉降為1.00 m,位于約2/3壩高處,沉降量約為壩高的0.95%;相應上游坡面向上游水平位移為0.23 m, 下游坡面向下游水平位移為0.27 m。蓄水后,壩體最大橫斷面的最大沉降量為1.10 m,比施工期增大約10.0%,凈增氏幅度合理,產生最大沉降的位置基本無變化,仍在壩高2/3處。與施工期水平位移相比,蓄水期壩體上游坡面向上游位移為0.05 m,比施工期減少0.18 m;下游坡面向下游位移為0.35 m,比施工期增加0.08 ma蓄水對壩體水平位移有明顯影響,水平位移量從上游到下游逐漸增大,壩高1/2以上部位的位移明顯,壩頂部的水平位移約為0.07~0.08 m。上游壩面約1/3壩高、壩軸線上游側仍向上游水平位移,范圍與量級比施工期小,變形規律合理。
施工期的壩體最大橫斷面大主應力最大值為1.52 MPa,出現在壩軸線基巖部位。主應力值隨壩體斷面高程增加而減小,自重效應明顯;小主應力最大值為0.475 MPa。蓄水期,壩體最大橫斷面上壩軸線上游部分堆石區的大主應力受水壓力作用明顯,大主應力值普遍有所增大,斷面上大主應力最大達到1.65 MPa,比施工期大主應力增大約8.5%。小主應力最大值為0.475 MPa。
由于墊層區和過渡區的彈性模量系數高于主堆石區,而且距上游坡面近,壩體蓄水后大主應力增幅大于主堆石區和次堆石區是合理的,但上游坡腳墊層區應力梯度變化急劇明顯。總的來看,水壓力對主堆石區和次堆石區大、小主應力增幅影響有限,計算結果與其他壩高相近工程類似。
蓄水后,面板的水平向、順坡向的位移分布規律比較合理,但最大法向位移計算值明顯偏大了。面板法向位移值偏大的原因明顯與堆石區壩料的材料參數相對偏低有關,也與堆石體計算模型假設有關。
根據垂直縫單元和周邊縫單元節點位移值,可以開發專用后處理程序,整理得到蓄水期垂直縫和周邊縫的張開、切向和沉陷相對變形最大值如表2所示。蓄水期面板變形和沿壩軸線位移分別如圖3,圖4所示。將垂直縫和周邊縫采用非線性節理單元模擬,計算收斂性良好。面板垂直縫張開形態基本順河谷呈“V”刑分布,垂直縫未出現張開、閉合交替現象。由于左河岸比右河岸稍陡,周邊縫的最大張開變形值出現在左岸(圖4)。
圖5、圖6分別給出了施工期和蓄水期堆石體應力水平等值線。施工期堆石區的應力水平小于0.65(相當于65%),沿上、下游坡面附近區域堆石區的應力水平稍高。蓄水后,由于面板的作用,上游坡面附近和主堆石區的應力水平有不同程度的降低,而下游坡面附近堆石區的應力水平略有所上升,壩基附近的堆石體應力水平基本呈降低趨勢。
4 結語與建議
a.計算得到的竣工期壩體最大垂直沉降約為100 cm,約為壩高的0.95%,發生在2/3壩高處,竣工期壩體垂直沉降屬于正常范圍。上下游坡面水平位移呈反“S”狀。上下游坡面均出現上陷下凸”的變形規律。
b.蓄水期最大沉降量為110 cm,比竣工期壩體最大垂直沉降增加約10%.蓄水期沉降比較正常,水荷載對最大垂直沉降的影響不顯著。
c.依據目前的技術水平和國內己建、完建工程經驗,蓄水期面板垂直縫和周邊縫的按縫設計和材料工藝水平,兩種方案計算得到面板垂直縫和周邊縫的張開、切向和沉陷變形屬于正常范圍。
d.壩體部分區域大卞應力水平較高,竣工期為1.52 MPa.蓄水期為1.65 MPa;小主應力值偏低,竣工期和蓄水期應力值均為0.475 MPa,存在一定的拱效應,可能對后期壩體變形有一定影響。
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