糯扎渡心墙堆石坝应力分析

糯扎渡心墙堆石坝应力分析

1对土石坝应力应变的认识土壤的力学特性非常复杂，具有非线性、弹塑性、剪切性、各向异性和流变性。土的应力-应变关系不仅取决于当前的应力状态,而且与应力路径有着非常密切的关系。自20世纪50年代后期以来,世界各国采用堆石料的高土石坝占全部大坝的70%～80%左右,并且还有继续发展的趋势。大坝建设采用的堆石料是粗粒料,与已经研究得比较深入的细粒料相比,性质有很大的不同。对堆石料的应力应变研究远远落后于对细粒料土的研究,现在工程设计计算中基本上都是套用细粒料土的研究成果,试验大都是采用常围压的三轴试验方法进行,使得试验确定的应力应变关系与实测的应力变形相差较大。计算所采用的本构关系也是基于常规三轴的试验资料建立。1986年,A·D·M·彭曼在第26次兰金讲演中指出:施工期堆石坝体的大部分区域的主应力比保持常数;在水荷载作用下,有效平均应力增加,而σ1-σ3减少。即在堆石填筑过程中,随着堆石体的不断升高,σ1(垂直方向)增加,σ3(及σ2)也随着σ1的增加而增加,△σ1/△σ3基本为常数。某土石坝的实测结果近似为:△σ1=2.7△σ3。到目前为止,一般认为施工期土石坝内应力路径为等应力比路径,竣工后蓄水期应力增量比也保持以常数,两者大小不同。但究竟这种比值大小如何,与哪些因素有关?对应研究甚少。有限元法是一种发展得比较成熟的数值分析计算方法。用有限元方法研究土石坝的应力变形方便、实用、经济。因此,本文利用有限元法研究了糯扎渡心墙堆石坝在施工期及蓄水期坝体内部的应力路径,研究土石坝中一些具有代表性的点在填筑和正常运行过程中的大小主应力变化情况,为建立更合理地反映土石坝应力变形的本构模型建立提供依据。2计算有限差分的条件2.1粘土心墙土石坝糯扎渡水电站位于云南省思茅市和澜沧县交界处的澜沧江下游干流上。大坝拟采用粘土心墙土石坝。坝顶高程821.5m,坝顶长度608.16m,最大坝高261.5m,上游坝坡坡度为1∶1.9,下游坝坡坡度为1∶1.8。水库正常蓄水位为812.5m。该土石坝最大坝剖面如图1所示。2.2坝体荷载分级加载计算采用平面应变有限元方法。剖面网格划分如图2所示。计算采用的是河海大学岩土工程研究所研制的TDAD有限元程序。为了模拟筑坝过程,荷载以分级加载进行。糯扎渡心墙堆石坝总共分24级加载,其中填筑期16级,蓄水期分8级至正常蓄水位。计算采用邓肯-张E-B模型,主要材料参数见表1。3坝体的水荷载作用在土石坝的最大横断面的上、下游坝体和心墙处各取几个具有代表性的点(在图2中标出)。定义填筑期和蓄水期大小主应力增量比△σ1/△σ3为A。整理这些点在填筑期和蓄水正常运行期的大小主应力关系,绘出它们的应力路径示意图,并绘出大小主应力增量比值A等值线图。从图3中可以看出,在填筑期,糯扎渡土石坝内不同部位的各点大小主应力几乎成线性增加。上下游坝壳中同一高程处越靠近心墙,应力路径斜率越大。而心墙内部的斜率偏小。由此可见大小主应力斜率大小与材料性质有关。上、下游的坝壳材料为堆石料,材料的填筑干密度和刚度都较大,填筑时,主应力增长较快,大小主应力增量比A值较大;而心墙料为砾质土,材料的填筑干密度和刚度都比堆石料要小,填筑时,主应力增长较慢,A值较小。在蓄水期成较好线性关系,随着水位的升高,σ1、σ3都变化。斜率与填筑期不同。这是因为水库蓄水过程中,水荷载的作用方向与竣工期坝体内σ3的方向大体一致,因此,水荷载增加,使小主应力(σ3)减小,同时,由于浮托力作用,使得大主应力减小。这与已有的一些土石坝实际观测资料整理出的规律较为符合。整理各点的△σ1/△σ3关系斜率见表2。图3(a)、(b)和(c)为大坝上游坝壳的3个代表点填筑期和蓄水期的应力路径。从中可以看出在填筑期应力路径线性明显,为等应力比变化,斜率在2.5～3.5之间。在蓄水期应力路径线性较为明显。随着蓄水位的升高,开始阶段大主应力保持不变,小主应力略有减小,当水位达到或者淹没该点时,大小主应力都同时减小,再次变成等应力比变化,斜率比填筑期小,斜率在1.5左右。说明蓄水期水荷载直接作用在大坝上游坝壳上改变了大小主应力大小,使小主应力(σ3)减小,同时,由于浮托力作用,使得大主应力减小。图3(d)、(e)和(f)为大坝下游坝壳的3个代表点填筑期和蓄水期的应力路径。从中可以看出在填筑期应力路径线性明显,为等应力比变化,斜率在2.5～3.5左右。在蓄水期应力路径线性也较明显。随着蓄水位的升高,前几级水荷载加上后点4和点5的大主应力基本保持不变,大小为竣工时的值,小主应力增大,形成一平行于小主应力坐标轴的台阶,当水位达到或者淹没该点时,大主应力开始增大,大主应力比小主应力增加慢,总斜率在0.0附近。说明蓄水期水荷载改变了该点大小主应力方向和大小,使得小主应力增加,而大主应力基本不变,只要当水位淹没该点时在浮托力的作用下,大主应力略又增加。点6在坝趾处大主应力比小主应力增加快,斜率反而比填筑期大。这是因为坝趾在填筑期受压,蓄水后受更大压力,使大小主应力的方向变化较大,而且大主应力增加较大。图3(g)和(h)为大坝心墙的2个代表点填筑期和蓄水期的应力路径。从中可以看出在填筑期应力路径线性明显,为等应力比变化,斜率都在2.1左右。在蓄水期应力路径线性也较为明显。随着蓄水位的升高,开始阶段点7和点8的大小主应力都基本保持不变,大小为竣工时的值,当水位达到或者淹没该点时,大主应力开始增大,大主应力比小主应力增加慢,再次变成等应力变化,斜率都小于1。不管在填筑期还是蓄水期,各点斜率都较为接近。心墙料与上下游坝壳所用的粗堆石料不一样,说明材料对大小主应力增量比值影响较大。整个断面的斜率等值线图,如图4、图5所示。图4中心墙部分由于A值分布很均匀,它的值都在2.1左右,所以在等值线图上为空白。由等值线图4可看出在填筑期心墙与上下游坝壳连接处大小主应力比变化较大,可以考虑设置过渡层延缓变化,在施工时应引起重视。由图5可以看出蓄水期心墙的A值都是小于1,然后往上游和下游都是递增的。4填筑期土石坝各点应力增量配比的变化本文对糯扎渡心墙堆石坝进行了平面有限元分析计算,并在最大断面的上、下游坝壳及心墙内各选取几个代表点,整理各点在施工填筑期和蓄水期的应力变化,可得到以下结论:(1)在填筑期,土石坝的各点大小主应力几乎成线性增加,并且大小主应力的增量比值A基本保持恒定,为等应力比变化,大小在2.0