基于粘弹性模型模拟沥青混凝土面板堆石坝的应力分析

基于粘弹性模型模拟沥青混凝土面板堆石坝的应力分析

1上水库分层防渗张湾引水蓄能站位于河北省石家庄井至县甘陶河支流。电站装机容量4×250MW,接入冀南电网,在系统中担负调峰填谷、调频调相和紧急事故备用等任务。电站枢纽主要由上水库、水道系统、地下厂房系统及地面出线场、下水库拦河坝和拦排沙工程等组成,工程等级为一等。上水库采用开挖料筑坝围库而成,主要包括堆石坝、库盆沥青混凝土防渗面板、排水系统、库岸基础处理。坝顶高程812m,库顶轴线长约2843m,坝顶宽7~9m,上游坝坡1∶1.75,下游坝坡1∶1.5,坝轴线处最大坝高57m。正常蓄水位为810m,死水位为779m,工作水深31m,总库容789.0万m3。张河湾电站上水库采用沥青混凝土面板全库盆防渗,库坡防渗面积约20×104m2,库底防渗面积约13.7×104m2,总防渗面积约33.7×104m2。上游面的沥青混凝土防渗层采用复式结构,自上而下分别为沥青玛蹄脂封闭层0.2cm、防渗层10cm、排水层(库坡为8cm,库底为10cm)、整平胶结层8cm。库坡面板厚度为26.2cm,库底面板厚度为28.2cm。坝体从上游至下游依次分为:碎石垫层区、过渡区和主堆石区。垫层料由青垴料场开采的新鲜灰岩料人工破碎加工而成,设计干密度2.23g/cm3,孔隙率不大于18%,渗透系数为10-3~10-2cm/s。过渡料采用较新鲜的弱、微风化长城系砂岩料,设计干密度2.13g/cm3,孔隙率不大于20%。主堆石料采用弱、微风化长城系石英砂岩和铁质砂岩,设计干密度2.07g/cm3,孔隙率不大于22%。本文旨在通过对上水库沥青混凝土面板堆石坝的有限元变形分析,研究施工期沥青混凝土面板的应力变形,以确保工程施工安全。2沥青混凝土流变特性分析非线性邓肯E-B模型公式简单、参数物理意义明确,对堆石料的应力-应变非线性特性也能较好地反映,因此本文采用邓肯E-B模型作为筑坝堆石材料的本构模型。沥青混凝土是由矿物骨料、沥青胶结料和孔隙共同组成的具有空间网状结构的多相分散体系。沥青混凝土的力学特性与温度、沥青品种含量、材料配合比、应变速率、时间等因素有关,而且在时间和温度域内表现为粘弹性特性。首先根据温度-时间等效原理,将温度对沥青混凝土力学性能的影响折算归于时间变量中。将T温度下,t时间的沥青混凝土的力学性能等效为标准温度T0下,对应于等效时间ζ的力学性能:其中,Φ(T)为温度移位因子。试验研究表明,沥青混凝土的应力-应变曲线符合双曲线模型,并在时间域内表现出蠕变特性。建立其流变体应力-应变-时间的函数关系:其中,εe为加载瞬时的弹性变形,根据沥青混凝土的室内三轴试验曲线的双曲线特征,采用邓肯E-B模型模拟。τ时间步长,λ为应力水平一定时,蠕变试验的lnε~lnt曲线的斜率。将时间离散化,假定每一时步内的应力σ为常数,求得蠕变分量:由于土石坝实际施工过程的复杂性,各计算单元计算蠕变的初始时间不一致,导致计算困难,因此将相对时间代替绝对时间,将(3)式转换为:采用增量-初应变法,进行粘弹性有限元分析。按照初应变法,求得矫正荷载:其中,ε0=ε-εe为蠕变应变分量。对结构的变形、应力进行矫正:堆石坝料及沥青混凝土的计算参数由设计单位提供,见表1。取标准温度T0=0℃,温度移位因子lgΦ(T)=0.1228T。λ取0.00554,时间步长τ取h,计算时段Δt为0.1h,沥青混凝土面板施工时温度采用T=5℃。本文旨在分析大坝在填筑施工期以及水库蓄水至正常蓄水位的加载过程中,坝体及面板的变形特性。计算中采用增量法模拟坝体的填筑及水库蓄水过程。堆石体填筑、水荷载按照分级加载,在779m高程以下水荷载一次施加,779m高程以上水荷载按照2m/h升至正常蓄水位810m高程。因面板厚度很小,在面板部位采用了局部细化网格的方法,以减小面板长宽比对计算结果的影响。3支护结构的变形1#剖面处坝高最大,变形及应力最大值均出现在此处。大坝竣工时坝体最大沉降为24.1cm,发生在坝轴线中部。由于基岩面倾向下游,坝体最大水平位移16.4cm出现在下游坝坡附近,如图3所示。水库蓄水至810m高程,坝体最大沉降为25.2cm,最大水平位移为18.6cm。计算结果显示,蓄水过程对坝体的增量变形影响很小,这表明虽然在倾斜岩基上筑坝,大部分库水压力仍能通过上游坝壳传至基岩,受倾斜基岩面的影响不大。面板法向变形在785m高程达到最大,为6.86cm。面板最大主压应变为0.54%,最大主拉应变为0.22%,都出现在面板的转折处。面板法向应力最大值为0.36MPa,顺坡向应力沿整块面板长度范围数值都很小。另外,通过比较分析发现,与荷载产生的瞬时变形相比,沥青混凝土随时间发生的流变很小,这一点从流变参数λ<0.01的微小数值也可以看出,在数值分析中,可以采用邓肯E-B模型只分析瞬时弹性变形,不影响计算结果的精度。出于同样原因,温度变化对蠕变模量的影响也甚微,可以忽略。4沥青混凝土面板拉应变分析本文采用邓肯E-B模型和考虑流变的粘弹性模型对张河湾抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板堆石坝进行有限元分析,结果表明由于坝高很小,坝轴线处坝高为57m,因此堆石体的变形很小。虽然基岩面向下游倾斜,但对蓄水引起的增量变形的影响不大。面板在不同厚度处的顺坡向应力和应变是均匀的,但需要关注的是,不同剖面在面板转折部位,都出现了明显的拉应变。西德STRABA公司资料表明,沥青混凝土面板的挠跨比小于0.5%时,面板裂缝满足要求;日本蛇尾川抽水蓄能电站沥青混凝土在5℃时的屈服控制拉应变试验值为5%。工程惯例以0.5%作为沥青混凝土的控制屈服拉应变。张河湾上库的坝高很小,因此面板的变形和应变也相应很小,在安全范围以内。目前从沥青混凝土的蠕变试验可知,蠕变变形很小,与荷载引起的瞬时变形相比可以忽略。目前在工程界对沥青混凝土面板的数值模拟基本上分为两类,一类采用粘弹性模型分析其流变变形,另一类沿用邓肯模型分析其瞬时变形。从计算结果来看,两