十三陵水库大坝动态荷载及稳定性分析

十三陵水库大坝动态荷载及稳定性分析

1大赛期间大坝受临时法律作用的稳定性对大型水库的现场安全监控和各种方法的反演分析一直受到关注和研究。十三陵水库大坝建造历史悠久,长期的运营和多次改建与加固,水库大坝等建筑物已消除了安全隐患。2008年北京奥运期间十三陵水库坝区承担铁人3项的赛事活动,此后,残奥会铁人3项比赛也在此举行。据大坝现场观测信息,临时看台及临时建筑施工后大坝坝坡表面局部区域已有沉降发生。由设计资料,临时看台、临时赛道活荷载为3.5kPa,临时建筑(功能用房和赛事组织用房)室内活荷载均为2.5kPa。比赛期间随着赛事活动的进行,大坝需承受往复循环的人群加卸载作用。因此,从赛前比赛设施的建造到赛期比赛活动的进行,均不可避免地对坝体的稳定性产生一定程度的扰动与影响。为了掌握在赛事活动期间外力和环境条件不断变化过程中大坝的稳定性,动态跟踪评价大坝的安全状态,本文基于奥运建造看台和临时设施期间的现场实测变形信息,利用正交设计反分析方法对坝体几个主要影响土层的等效弹性模量进行反演分析,并据此对比赛期间大坝受临时观众荷载及临时赛道活荷载作用的稳定性进行分析与评价。最后,与赛期和赛后的现场监测变形进行比较,说明反演参数和预测结果的可靠性。2影响土层力学参数的确定由于对土体变形影响最大的力学参数是弹性模量。根据十三陵大坝的实际情况,将坝体黏土斜墙、砂砾垫层及砾质粗砂弹性模量作为待反演参数,其他材料力学参数作为已知值,利用建造看台前后坝坡现场沉降监测值来反推影响大坝坝坡变形的主要土层力学参数。另外,目前参数反演方法仍有新的成果,但由于大坝受环境和场地影响,获取的实测数据十分有限,在此采用正交设计数值反演方法。2.1观测结果分析正交设计数值试验反演模型选取建造看台及跑道影响较大的坝体区域。由于建造看台及跑道前后的现场实测有效点基本位于下游区域,新增设测点是在比赛设施建造之后设置,因此,反演分析采用下游区域的实测结果,如表1所列,测点布置如图1所示。(2)维模型及约束正交设计数值反演分析模型剖面根据拦河大坝观测设施布置图截取,如图2所示。据文献和文献[8-10],建立数值反演分析模型,其中坝体轴线方向为y轴向,水平指向下游方向为x轴正方向,垂直向上方向为z轴正方向。三维模型沿坝轴线长1000m,共划分103584个节点和96750个单元。在坝体上游前端、下游后端及左右岸竖直面施加法向约束,模型底部水平面法向约束,上下游坝坡及坝顶表面自由。土石坝和坝基岩土体材料塑性模型采用Mohr-Coulomb屈服准则。(3)坝体防渗设计由文献[4-5,9]知,土石坝和坝基岩土体的物理力学参数见表2,其中黏土斜墙、砂砾垫层及砾质粗砂的弹性模量是待反演参数。由于十三陵水库上游来水减少,水库常年水位降至标高86.5m。另外,黏土斜墙、坝前水平铺盖和防渗墙的修建,使坝基的渗漏问题可以近似不计。因此,正交设计数值反演分析不考虑库水和地下水渗流对坝体位移的影响。计算分为3个步骤:(1)自重平衡,形成初始应力场;(2)施加库水静水压力;(3)清除坝体及坝基中的自重及库水静水压力引起的初始位移,施加比赛设施及临时看台荷载,计算坝体变形及应力。2.2墙、砾质粗砂、砂质垫层弹性模量数值正交试验设计因素取为,黏土斜墙、砾质粗砂、砂质垫层的弹性模量;每一因素取3个变化水平,根据文献和文献,正交试验因素水平如表3所列。(2)位移平方差的数学模型建立以黏土斜墙、砂砾垫层及砾质粗砂的弹性模量为基本未知量,以计算位移和实测位移平方差为评价指标函数的数学模型为式中:ui、umi分别为监测点i处沉降量的计算值和监测值;n为测点个数;N为待反演参数的个数。由式(1)可见,当评价指标F取最小值时,所采用的弹性模量Ej值就是反演得到的等效弹模最优解。(3)正交试验方案设计根据所选择的计算模型和试验评价指标,对表3给出的3水平、3因素正交试验因素水平表,选取正交表L9(34)构造反分析的数值试验方案,试验次数共9次,试验方案见表4。(4)同水平的试验指标及各因素的试验差异按照正交试验方案表4及因素水平表3进行数值模拟试验,所获试验评价指标值的结果列于表4的最后1列。由结果进行正交试验的直观分析,计算得到各因素不同水平的试验指标均值Kij及各因素的指标均值极差Rj,见表5,其中:式中:l=n/S,i=1,S(水平数),j=1,r(实际因素数);Aj(k)为第j个因素中第k试验号所对应的水平号;yk为第k试验号所对应的试验指标值;为Kronecker符号;n为试验次数。通过评定因素重要性顺序,找出每个因素的最优点水平,则参照表3反演得到的最佳参数组合为,黏土斜墙的弹性模量为8MPa,砾质粗砂为12MPa,砂质垫层为14MPa。3坝体及坝体变形场分析基于正交设计得到的最佳参数组合,依据设计资料,对看台和临时赛道施加最大活荷载(3.5kPa),进行比赛期间(8月18-19日)观众荷载及临时赛道活荷载的弹塑性数值模拟。模拟临时观众荷载及临时赛道活荷载的循环加卸载过程分为5种工况,即18日之前为工况1,18日比赛加载,18日赛后卸载,19日比赛加载,19日赛后卸载依次为工况2~5。数值模拟分析结果:大坝最大沉降量18日赛前为5.4426mm,18日赛期峰值为12.931mm,18日赛后恢复到5.562mm,19日赛期峰值达12.937mm,19日赛后恢复到5.604mm,且均发生在看台中部位置;而向上游方向的最大水平位移18日赛前1.627mm,18日赛期峰值为2.514mm,18日赛后恢复到1.919mm,19日赛期峰值达2.610mm,19日赛后恢复到2.072mm,且均发生在上游坝顶位置。比赛过程中的分析图形类似,图3和图4给出了8月19日比赛期间活荷载达到最大时竖向位移分布图,图5给出了比赛期间往复循环观众荷载及临时赛道活荷载作用过程中上游看台中部区域测点竖向位移曲线。由图3和图4可知,比赛期间临时观众荷载及临时赛道活荷载达到最大值时,在上游坝坡临时看台中心附近竖向位移较大,最大沉降量为12.937mm,是赛前(5.443mm)的2.3倍。由图5可见,赛期往复循环观众荷载及临时赛道活荷载引起的坝体测点位移呈波动变化,即加载位移增加,卸载变形基本恢复,沉降最大增幅在7.400mm左右。综上分析可知,由于比赛设施和临时看台的荷载较小,引起的大坝沉降和水平位移增值也较小;当对坝坡看台施加比赛观众等动态荷载后,坝体中虽具有一定的变形发生,但由数值分析得到,比赛结束后大坝位移基本恢复,且未出现剪切塑性区和张拉破坏区,坝体处于稳定状态。4奥运数据测点监测位移选取上游变形监测点4、8在奥运铁人3项8月18日和8月19日2d的测点变形监测值与数值模拟预测值进行比较。为了便于数据对比,将奥运2天的数据放在同一张图中,如图6、7所示,图中8:30~13:00对应奥运第1天(8月18日8:30~13:00)的数据,14:30~19:00对应奥运第2天(8月19日8:30~13:00)的数据,且所有数据均以8月18日7:50为起始点。由图6、7可以看出,测点现场监测位移值与数值模拟预测值在变化趋势上比较一致,但量值上具有一定的差异。这种现象表现出实际现场情况的复杂性和各种随机性因素的力学响应,同时,说明利用正交设计反演所获参数具有较高的可靠性,且数值模拟预测模型虽与实际现场有一定误差,但它能超前做出科学预测和定量判断。5坝体稳定安全分析(1)基于在大坝上建筑看台和临时设施前后的现场实测变形,利用正交设计反分析方法反演得到了坝体的最优弹性模量组合。反演得到的最佳参数组合为,黏土斜墙的弹性模量为8MPa,砾质粗砂为12MPa,砂质垫层为14MPa。(2)通过对比赛期间坝体稳定性预测分析发现,当比赛期间临时观众荷载及临时赛道活的往复循环荷载达到最大值时,大坝上游坝坡临时看台中心附近的沉降较大,最大沉降量为12