双江口心墙堆石坝三维有限元分析

双江口心墙堆石坝三维有限元分析

1坝壳应力拱效应近年来，高坝迅速发展。200米以上的中国高坝已经建成和设计中。这些高坝对设计提出了更高的要求,其中,对应力变形准确分析,合理评估土石坝心墙应力拱效应是一个非常重要的问题。因为拱效应对心墙抗水力劈裂能力有着直接的影响,因而,越来越受到工程界的重视。土石坝心墙应力拱效应是指由于心墙变形模量比坝壳低,心墙沉降大,坝壳沉降小,心墙部分自重传递到坝壳,从而心墙内部应力减小,坝壳应力增大的现象,简称拱效应或心墙拱效应。由于拱效应作用的结果将使心墙内的竖向应力降低,从而可能导致心墙内产生裂缝或心墙应力小于上游水压力导致水力劈裂。文献指出,当心墙中承受的竖向应力只有相邻坝壳所承受的竖向应力的20%~50%时,就可能使心墙内部出现水平裂缝。如果水库蓄水时,库水浸入水平裂缝并引起裂缝的张开或破裂,会引起集中渗漏,甚至溃坝破坏。典型的例子是挪威的海特尤维(Hyttejuvet)坝和英国的巴特海特(Balder-head)坝。即使心墙没有直接产生裂缝,当心墙土体应力低于库水压力,水压力会沿应力较小的作用面劈开,产生水力劈裂。所以,必须对土石坝心墙的应力拱效应进行深入研究,尤其200m以上的高坝,因为坝越高,心墙与坝壳之间的沉降差异就越达,拱效应越强烈。心墙的应力拱效应的大小与心墙和坝壳两者的变形模量差、强度、心墙坡度、坝高和施工速率等许多因素有关,是一个复杂的问题。弄清每个因素对拱效应的影响的大小、规律对深入研究心墙抗水力劈裂十分重要。到目前为止,有一些这方面的研究,但仍很不够,甚至对究竟如何定量表述拱效应都没有一个很好的公认的指标。本文对双江口心墙堆石坝不同材料分区方案的三种设计断面进行三维有限元计算,给出了不同材料分区方案下拱效应的大小和分布特征。2计算有限差分的条件2.1坝心分层保护土料双江口水电站水库为大渡河干流上的控制性水库,水库大坝采用砾石土心墙堆石坝,最大坝高314m,上游坝坡坡度为1:2,下游坝坡坡度为1:1.9。大坝心墙上、下游分别设Ⅰ、Ⅱ两层反滤保护土料,上游两层反滤水平厚度均为4m,下游两层反滤水平厚度均为6m,上、下游反滤坡度均为1:0.2。坝址河床覆盖层最大厚度约68m,心墙下部覆盖层全部挖除。设计考虑了三种断面及材料分区形式,如图1(a)~1(c)所示。2.2设计模型及网格划分计算采用的是河海大学岩土工程研究所研制的TDAD三维有限元程序,本构模型为邓肯-张E-B模型,该模型在我国应用广泛,为人们熟知,故不再赘述。计算所用的本构模型参数由三轴固结排水剪试验结果确定,如表1所示。有限元计算网格单元为8结点6面体等参单元,局部用6结点5面和4结点4面体单元过渡。大坝共划分42断面,14881结点,15043单元。为了模拟大坝填筑过程,填筑荷载分级施加,共21级。由于本文主要研究心墙应力拱效应,因此,只计算了填筑到坝顶情况,没有考虑蓄水。3坝体结构安全设计的拱效应分析对图1显示的三种材料分区方案的大坝进行了三维有限元计算,根据计算结果分别整理了心墙单元平均弹性模量(Ec)、平均泊松比(νc)和坝壳(包括反滤层和过渡层)的平均弹性模量(Er)、平均泊松比(νr),并计算了Ec/Er比值,如表2所示。如前所述,拱效应是由于部分心墙自重传递到坝壳,从而,坝壳应力增大,心墙应力减小。因此,可以将心墙自重应力(即假定无拱效应情况下的应力)与实际计算的心墙应力进行比较来研究拱效应强弱。这里,笔者定义单元竖向应力(σz)与单元上方土条的自重(γh)的比值为参数R,称为心墙应力拱效应系数,简称拱效应系数,即用R=σz/γh来表征心墙应力拱效应强弱。已有研究和经验都表明,心墙的应力拱效应的大小与心墙和坝壳两者的弹性模量和泊松比都有关系。文献研究显示,心墙、坝壳模量差愈大,即Ec/Er的值愈小,拱效应愈显著(即心墙拱效应系数R越小);另一方面,提高坝壳与心墙泊松比,都将减轻心墙的应力拱效应(增大心墙的应力拱效应系数R),其中,心墙泊松比影响较大。因此,下面主要通过整理分析相关参数来深入研究三种设计断面大坝的心墙应力拱效应的强弱。根据三维有限元计算结果,整理出了三种材料分区方案的大坝的有关参数,即Ec/Er、νc、νr和R。由于河谷多呈“V”型或“U”型,整理参数Ec/Er、νc、νr和R时,是对所有坝体区域的单元求平均值,还是对部分区域单元求平均值,其数值大小肯定是不同的。为反映这种差异,这里分别整理了三种情况:(1)对整个坝体范围内单元分别求Ec/Er、νc、νr和R;(2)对河谷中间1/3坝段相关单元求对应参数;(3)对河谷中间最大断面的单元求对应参数。本质上讲,对这三个(计算)范围内求得的平均拱效应系数R都能在一定程度上反映整个坝体的拱效应情况,但反映程度可能有所不同。为了研究它们之间的差异,对其计算结果分别进行了整理,如表2所示。下面分别对三种不同坝体范围内统计的参数Ec/Er、νc、νr和R进行分析,研究它们对拱效应的反映程度。从表2可以看出,三种大坝设计断面方案的拱效应没有显著差异,平均拱效应系数R几乎相等。相比之下,方案2的R最小。无论对于整个坝体范围、还是河谷中间1/3坝段范围或最大横断面,反映的拱效应规律基本一致。对整个坝体范围,方案2的Ec/Er和心墙平均泊松比νc都最小,故方案2的平均应力拱效应最显著,R的大小为0.641。方案1与方案3相比较,方案3的Ec/Er大,但心墙平均泊松比νc是方案1的大,在Ec/Er和νc的共同作用下,最终是方案1比较的R值比方案3的R略大。对河谷中间1/3坝段范围(即以最大断面为中心向两边各扩展1/6坝段),方案2的心墙平均泊松比νc最小,νr最大,尽管居于方案1和方案3之间,其拱效应系数R仍最小,等于0.659。方案1和方案3的νc相等,尽管Ec/Er相差较大,但由于νr略有差异,拱效应系数仍相等。说明拱效应是多个因素综合影响的结果。对最大横断面,方案1的Ec/Er最大,方案1和方案3的νc、νr都相等,但两方案拱效应系数却相等。图2给出了坝轴线纵断面心墙的应力拱效应系数等值线图。拱效应系数R越小,表示拱效应越强。从图2中可知,拱效应最强部位是心墙中上部位和坝肩处。大坝河谷段的3/4坝高处的拱效应系数较低,在0.65左右;在坝肩部位,心墙的拱效应影响也比较显著,R最小等于0.5,这是由于两端的山体阻止心墙沉降的剪应力使的心墙两端处的应力拱效应更加显著。对表2中三种坝段范围统计的方案2的拱效应系数R进行比较,最大横断面的平均拱效应系数R最小,河谷中间1/3坝段的平均拱效应系数R最大。从图2中可知,最大横断面的拱效应系数小于河谷中间1/3坝段的拱效应系数;整个坝段由于两端的R较小,最终平均拱效应系数小于河谷中间1/3坝段拱效应系数,故表2中的结果与图2是符合的。图3为三种设计断面方案的最大横断面心墙的拱效应系数R等值线图。三种方案的横断面心墙的应力拱效应系数等值线图反映的拱效应规律基本一致,数值大小都很相近。图3可以看出,最大断面上,3/4坝高处和心墙底部,拱效应系数较小,靠近反滤层部位比心墙中心部位小。4大坝心墙应力拱效应比较(1)心墙、坝壳的弹性