搜索混凝土面板堆石壩三維非線性有限元應力變形分析
2013-06-18 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
1 工程概況
鯉魚塘水庫水庫混凝土面板堆石壩工程最大壩高105m。壩址河谷形態(tài)呈不對稱“V”形,岸坡左陡右緩。左岸坡坡角60°~70°;右岸地形稍緩,坡角為30°~50°。部分地段分布有殘、坡積物及崩塌堆積物。河谷寬約50m,常水位水面寬度10~20 m,正常蓄水位時河谷寬度222~285m。上下游坡面均為1:1.4,面板共設置21條垂直縫,分縫寬度12m。壩址出露的地層為侏羅系中統(tǒng)千佛巖組(J2q)砂巖、粉砂巖及粉砂質泥巖,分別為堅硬、中等堅硬巖石及軟巖。巖層走向垂直于河流且傾向上游,為橫向谷。河床為沖、洪積漂石、卵礫石夾砂,松散,厚度0~3 m。左岸基巖裸露,右岸除局部覆蓋有1~5m的塊石、碎石夾亞粘土外,大部分岸坡基巖裸露。大壩主堆石區(qū)石料采用溢洪道等建筑物開挖料和壩址下游料場砂巖石料,巖性較堅硬;次堆石區(qū)石料部分采用砂巖、粉砂巖及粉砂質泥巖,其中泥巖所占比例較大,軟化系數較低,巖性較為軟弱。壩體材料分區(qū)的基本剖面圖如圖1所示。
2 計算方法與參數
在有限元計算中,混凝土面板堆石區(qū)采用Duncan-Change E-B非線性本構模刑模擬應力應變關系,計算參數見表1。面板壩上游石渣護面、粘土鋪蓋均考慮為透水邊界;設置了混凝土面板垂直縫和周邊縫以反映變形的不連續(xù)性?；炷撩姘灏凑站€彈性材料考慮,忽略混凝土的拉應力開裂效應。壩體二維有限元模型的單元網格見圖2。二維單元剖分單元總數為6588,周邊縫單元數為70,垂直縫單兒數253,節(jié)點總數為7420。
3 計算結果
利用有限元分析軟件ABAQUS中增加的Duncan-Chang模型,完成了混凝土面板堆石壩的二維非線性有限元應力應變分析。ABAQUS中以拉應力為正,而土工計算中以壓為正,所以在應力石圖中對大主應力顯示為小主應力,對小主應力顯示為大主應力。
施工期間,壩體最大橫斷面沉降為1.00 m,位于約2/3壩高處,沉降量約為壩高的0.95%;相應上游坡面向上游水平位移為0.23 m, 下游坡面向下游水平位移為0.27 m。蓄水后,壩體最大橫斷面的最大沉降量為1.10 m,比施工期增大約10.0%,凈增氏幅度合理,產生最大沉降的位置基本無變化,仍在壩高2/3處。與施工期水平位移相比,蓄水期壩體上游坡面向上游位移為0.05 m,比施工期減少0.18 m;下游坡面向下游位移為0.35 m,比施工期增加0.08 ma蓄水對壩體水平位移有明顯影響,水平位移量從上游到下游逐漸增大,壩高1/2以上部位的位移明顯,壩頂部的水平位移約為0.07~0.08 m。上游壩面約1/3壩高、壩軸線上游側仍向上游水平位移,范圍與量級比施工期小,變形規(guī)律合理。
施工期的壩體最大橫斷面大主應力最大值為1.52 MPa,出現在壩軸線基巖部位。主應力值隨壩體斷面高程增加而減小,自重效應明顯;小主應力最大值為0.475 MPa。蓄水期,壩體最大橫斷面上壩軸線上游部分堆石區(qū)的大主應力受水壓力作用明顯,大主應力值普遍有所增大,斷面上大主應力最大達到1.65 MPa,比施工期大主應力增大約8.5%。小主應力最大值為0.475 MPa。
由于墊層區(qū)和過渡區(qū)的彈性模量系數高于主堆石區(qū),而且距上游坡面近,壩體蓄水后大主應力增幅大于主堆石區(qū)和次堆石區(qū)是合理的,但上游坡腳墊層區(qū)應力梯度變化急劇明顯?？偟膩砜?水壓力對主堆石區(qū)和次堆石區(qū)大、小主應力增幅影響有限,計算結果與其他壩高相近工程類似。
蓄水后,面板的水平向、順坡向的位移分布規(guī)律比較合理,但最大法向位移計算值明顯偏大了。面板法向位移值偏大的原因明顯與堆石區(qū)壩料的材料參數相對偏低有關,也與堆石體計算模型假設有關。
根據垂直縫單元和周邊縫單元節(jié)點位移值,可以開發(fā)專用后處理程序,整理得到蓄水期垂直縫和周邊縫的張開、切向和沉陷相對變形最大值如表2所示。蓄水期面板變形和沿壩軸線位移分別如圖3,圖4所示。將垂直縫和周邊縫采用非線性節(jié)理單元模擬,計算收斂性良好。面板垂直縫張開形態(tài)基本順河谷呈“V”刑分布,垂直縫未出現張開、閉合交替現象。由于左河岸比右河岸稍陡,周邊縫的最大張開變形值出現在左岸(圖4)。
圖5、圖6分別給出了施工期和蓄水期堆石體應力水平等值線。施工期堆石區(qū)的應力水平小于0.65(相當于65%),沿上、下游坡面附近區(qū)域堆石區(qū)的應力水平稍高。蓄水后,由于面板的作用,上游坡面附近和主堆石區(qū)的應力水平有不同程度的降低,而下游坡面附近堆石區(qū)的應力水平略有所上升,壩基附近的堆石體應力水平基本呈降低趨勢。
4 結語與建議
a.計算得到的竣工期壩體最大垂直沉降約為100 cm,約為壩高的0.95%,發(fā)生在2/3壩高處,竣工期壩體垂直沉降屬于正常范圍。上下游坡面水平位移呈反“S”狀。上下游坡面均出現上陷下凸”的變形規(guī)律。
b.蓄水期最大沉降量為110 cm,比竣工期壩體最大垂直沉降增加約10%.蓄水期沉降比較正常,水荷載對最大垂直沉降的影響不顯著。
c.依據目前的技術水平和國內己建、完建工程經驗,蓄水期面板垂直縫和周邊縫的按縫設計和材料工藝水平,兩種方案計算得到面板垂直縫和周邊縫的張開、切向和沉陷變形屬于正常范圍。
d.壩體部分區(qū)域大卞應力水平較高,竣工期為1.52 MPa.蓄水期為1.65 MPa;小主應力值偏低,竣工期和蓄水期應力值均為0.475 MPa,存在一定的拱效應,可能對后期壩體變形有一定影響。
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