基于abaqus的混凝土面板堆石坝稳定性分析

基于abaqus的混凝土面板堆石坝稳定性分析

1混凝土面板堆石坝的设计实践由于混凝土板堆填石坝施工时间短，地形地质条件适应性强，库材料来源广泛，抗疲劳防滑性能好，近年来成为一支才华横溢的水库，迅速成为一座高山。中国200.250米高的混凝土板岩水库已处于设计研究和施工阶段。常规混凝土面板堆石坝的典型设计断面呈梯形,坝体依河谷与岸坡地形填筑而就,上下游坝坡坡比多为1:1.4~1.5,坝基位于河床上。为利用地形条件并为了减少开挖量,某混凝土面板堆石坝设计方案为:利用山脊的天然坡面,清除地表强风化、破碎岩石和倒悬体,然后分别贴岩坡填筑堆石料,形成混凝土面板坝上、下游坡,竣工后坝体典型断面呈“∧”型(图1),成为国内比较罕见的贴坡型混凝土面板堆石坝。显然,此类堆石坝的应力变形规律与常规面板堆石坝有所不同。采用非线性有限元法预测常规混凝土面板堆石坝变形应力的成果较多,但有关贴坡型混凝土面板堆石坝的分析研究成果鲜见公开报道。本文基于ABAQUS2次开发平台,采用自主开发的Duncan-Chang本构模型,对国内某贴坡型混凝土面板堆石坝进行了坝体应力与变形分析,计算成果能为优化设计提供合理的建议和有效的措施。2模型计算参数国内某贴坡型混凝土面板堆石坝坝坝轴线走向为105°,坝顶高程为482.5m,从上游趾板建基面算起最大坝高50.5m,下游建基面算起最大坝高92.1m。坝顶宽度为10m,上下游坝坡均为1:1.4。坝体自上游至下游依次分为垫层区(IIA区)、过渡区(IIIA区)、堆石区(IIIB区)。垫层区水平宽度为3m,过渡区水平宽度为4m。堆石区设计为均质体,无主次分区。堆石区下游坡面坝基设2.8m厚接坡带,上游坡面坝基和两岸坡面设水平宽为2m的接坡带,接坡料采用过渡料。坝体分3期填筑,其典型断面及分期填筑方案如图1所示,面板浇筑不分期。采用目前工程界应用较为广泛的邓肯双曲线E-B模型模拟堆石料的应力-应变关系,其材料参数见表1。由于基岩材料的力学性能比堆石体好得多,计算中未考虑基岩对坝体应力变形的影响。面板混凝土采用线弹性模型,重度ρd=25.0kN/m3,弹性模量E=20GPa,泊桑比ν=0.167。考虑到混凝土面板与垫层料之间的材料特性相差很大,在ABAQUS中用面面接触来模拟二者之间的接触效应。混凝土面板垂直缝和周边缝的设置,会导致位移和变形的不连续,需采用位移和变形不连续的缝单元模拟其特性。计算中,对其受拉垂直缝和周边缝,变形模量采用接近0的小量消除张拉应力;对于受挤压垂直缝和周边缝,采用混凝土材料特性模拟挤压效应。面板和坝体均采用8节点实体单元模拟,少量6节点实体单元过渡,三维有限元模型的节点数为12559,单元数为10645,计算规模较大,离散网格如图2~3所示。计算工况考虑竣工期和正常蓄水期。竣工期计算荷载为堆石体自重,坝体上、下游无水,按临时断面上升考虑模拟施工过程,其中第1~13级模拟1期下游坝体填筑;第14~18级模拟2期上游坝体填筑;第19~23级模拟坝体上下游同步填筑至坝顶;第24级模拟面板施工过程蓄水期计算荷载为水压力,从25~32级模拟蓄水过程中下游坡面无水。3接触算法的数值计算考虑到混凝土面板与垫层料之间的材料特性相差很大,在ABAQUS中用面面接触来模拟两者之间的接触效应。接触问题必须是增量过程求解。在每个增量步开始,首先考察接触面对的状态:如果是张开,需要解除约束关系,否则建立约束关系;然后开始增量步计算,完毕进行接触状态校核,如果没有发生改变,认为本增量计算收敛,否则修改接触状态后重新分析。接触算法的逻辑过程见图4。从接触计算过程可以看出,即使材料特性是线性状态,接触分析收敛性也相当困难,如果材料状态也为非线性,求解过程包括接触非线性和材料非线性双重增量加载和平衡迭代。使得在ABAQUS中计算时收敛更加困难,甚至增量步稍大,就出现计算不收敛,本文采用上游坝坡的修整算法,即在铺设面板之前,上游坡面先进行修平使之达到设计坡度,使面板底部以及堆石料上游表面应力应变状态在开始铺设面板的时候为0,这样使得计算很快收敛,且又与实际施工过程相符。值得注意的是:修坡过程可能导致坡面附近单元出现拉、剪破坏,故修坡过程中应同时进行“应力迁移”计算。上述上游坝坡修整算法保证了坝体的平衡状态和变形协调状态。4计算与成就分析4.1坝体工程施工期竣工期和蓄水期两种工况下坝体的位移值比较小,最大垂直沉降都发生在坝址垭口附近,与常规混凝土面板堆石坝的变形基本相似,水荷载对坝体的沉降等值线分布影响很不大。坝体水平位移的分布规律完全不同于常规混凝土面板堆石坝,水平位移最大值发生在下游坡腰,上游坡的变形非常小,水荷载作用较明显地改变了坝体水平位移等值线分布,随着水位上升向上游水平位移逐渐减小,而向下游水平位移逐渐增大,水平位移0等值线逐渐向上游偏离坝轴线,见图5~6。下游阶梯状建基面对阻止坝体位移有一定的效果;与常规坝型类似,坝体蓄水产生的位移增量比较小。竣工期和蓄水期坝体应力值较低,坝体的大小主应力的最大值都出现在坝体底部,如图7所示。竣工期上下游应力等值线与坝坡趋于平行,水荷载的作用对坝体上游等值线分布略有改变,而对坝体下游应力等值线分布影响不大,在下游坝体应力等值线仍与坝坡趋于平行,但大主应力与常规混凝土面板坝不同,阶梯状的建基面凸角处有明显的拉应力集中,相应部位的应力水平较高,但坝体应力水平均小于1.0,如图8所示,即坝体堆石料没有出现破坏单元,说明坝体是安全的。由表2可知,计算得到的坝体竣工期最大垂直沉降为49.8mm,为坝高的0.1%(相对从趾板建基面算起的最大坝高);蓄水后坝体最大沉降变为53.1mm,为坝高的0.12%,蓄水期较竣工期增大了0.02%,较常规混凝土面板堆石坝明显偏小,这主要是由于贴坡型面板堆石坝其堆石体的厚度变化较大,而且其主堆石区的厚度较小。4.2混凝土面板应力分析图9为蓄水期面板顺坡向、坝轴向位移以及挠度(垂直于面板的法向位移)等值线云图。从图上可以看出,面板法向变位向下游,有向里凹的趋势,这主要受堆石体变位的影响。蓄水期因为上游水位的影响,法向变位增大,其最大值为29mm,从挠度最大值处向外,面板的挠度逐渐减小。混凝土面板坝轴向位移基本对称,分布呈从两岸趋向河床中部的趋势,坝中轴线附近有“0”水平位移,且“0线”的位置略偏向右岸,0线右边面板有向左岸的位移,0线左边面板有向右岸的位移;混凝土面板顺坡向位移基本沿河道呈对称分布,最大位移出现在坝中轴线底部附近,最大值为2.1mm。竣工期面板的应力在坝轴向和顺坡向均以压为主,而且都不超过混凝土的抗压强度。在蓄水期,面板在水压力的作用下主要呈双向受压状态,河床段面板顺坝轴线方向主要承受压应力,而两岸坡处的面板则基本上处于受拉状态,由于在两岸周边缝附近存在一定范围的拉应力,对混凝土面板的开裂有一定的影响。面板顺坡向应力主要为压应力,由于面板在水压力作用下发生一定程度的弯曲变形,因此面板中部压应力较大,而面板局部地方则出现拉应力,拉应力最大值约为2MPa。总的来说面板的应力分布是正常的,规律性较好。蓄水期面板周边缝和垂直缝的位移数值都不大,一般均在毫米量级。面板中间垂直缝受压,靠近坝肩两边的垂直缝受拉(图10),其最大张开位移为2mm左右,沉降位移为5mm左右,剪切位移为4mm左右。周边缝垂直面板方向的沉降最大值为1.5mm,沿岸坡方向的剪切位移最大值为1.6mm,垂直岸坡方向的张开位移最大值为2.9mm。这主要是由于上游堆石料较薄,使得主要受堆石料控制的面板变形较小,从而导致周边缝和垂直缝的变形较常规的混凝土面板堆石坝要小。5坝体变形规律采用常用的邓肯-张E-B模型计算了某贴坡型混凝土面板堆石坝三维应力与变形,得到了贴坡型混凝土面板堆石坝应力与变形规律。计算结果表明,由于受地形和岩坡开挖形态的影响,贴坡型混凝土面板堆石坝的坝体变形规律与常规混凝土面板堆石坝有较大的不同,水平位移、垂直沉降以及面板的变形都较小,垂直沉降出现在坝址垭口