基于AUTOBANK的土石壩穩(wěn)定性研究

占 平

(景德鎮(zhèn)市水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督站，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

土石壩具有施工簡(jiǎn)便、造價(jià)便宜、可就地取材等優(yōu)點(diǎn)[1]逐漸成為常見(jiàn)壩型。隨著土石壩的快速發(fā)展，一些問(wèn)題也漸漸出現(xiàn)，因此對(duì)于土石壩的研究意義重大。

有限元計(jì)算是研究土石壩的一種主要方法[2]。在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)采取不同參數(shù)和對(duì)應(yīng)計(jì)算模型得出數(shù)據(jù)有所不同，因此要選取合適的模型和參數(shù)。鄧肯-張雙曲線模型[3]是非線性彈性模型的典型，20世紀(jì)70年代，Duncan和Change在konder等人的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將雙曲線模型用來(lái)表示土體的應(yīng)力應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)可以較好的反應(yīng)土體的相關(guān)特性，后來(lái)通過(guò)眾多學(xué)者[4-6]進(jìn)一步試驗(yàn)研究對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行了完善。除此之外還有考慮土體各向異性的鄧肯-張模型、G-K模型、E-K模型等。劍橋模型也是彈塑性模型的一個(gè)代表，他闡述了彈塑性變形特性，許多學(xué)者[7]對(duì)此也進(jìn)行了補(bǔ)充和完善，我國(guó)沈珠江院士將鄧肯-張模型和劍橋模型與自己的研究相結(jié)合提出了南北模型。隨著有限元技術(shù)理論的成熟，不少學(xué)者開(kāi)始用有限元進(jìn)行研究[8-9]。河海大學(xué)殷宗澤等人[10]采用典型鄧肯-張模型進(jìn)行混凝土心墻壩的應(yīng)力計(jì)算，隨后其又利用二維的比奧固結(jié)理論進(jìn)行了相關(guān)研究。

有限元技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出像AUTOBANK，GEOSTUDIO，ANSYS，ABAQUS等計(jì)算軟件。本文利用AUTOBANK軟件，采用典型的鄧肯-張模型進(jìn)行土石壩的穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

某樞紐為中型水利樞紐工程，水庫(kù)規(guī)模為大(3)型，主要由溢洪道、攔河壩、心墻、引水隧洞、電站等組成。水庫(kù)上游河流總長(zhǎng)79km，流域面積598.5km2。水庫(kù)死水位為245m，最小庫(kù)容為3.58×104m3，設(shè)計(jì)水位為267m，采用百年一遇，相應(yīng)庫(kù)容為4.96×104m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容4.6×104m3。校核水位為270m，校核庫(kù)容為6.2×104m3。溢洪道和攔河大壩洪水標(biāo)準(zhǔn)采用百年一遇。

樞紐攔河大壩是瀝青混凝土心墻堆石壩，長(zhǎng)1350m、壩頂寬6.0m，在土石壩頂上設(shè)防浪墻，墻高1.2m，壩頂高程270.1m。堆石壩由上、下游壩體堆石、過(guò)渡層及瀝青混凝土心墻等組成，上游壩坡采用干砌石護(hù)坡，厚度0.3m，坡比為1∶2。基礎(chǔ)處理采用帷幕灌漿。

2 模型建立

采用大型有限元軟件AUTOBANK，其可以進(jìn)行涵洞、土石壩、閘墩以溢洪道等的計(jì)算。該軟件可以以CAD為基礎(chǔ)圖形，截面直接圖形化，各階段之間無(wú)縫結(jié)合。可以有限的計(jì)算土石壩的施工和運(yùn)行過(guò)程中壩體的沉降、位置移動(dòng)、應(yīng)力變化的發(fā)展變化過(guò)程。單元采用四節(jié)點(diǎn)的等參單元[11]，可以使用Fortran進(jìn)行內(nèi)部編譯想研究的內(nèi)容。

計(jì)算模型采用鄧肯E-B模型，計(jì)算所用的相關(guān)參數(shù)參考相關(guān)資料見(jiàn)表1。

模型基本原理：將切線體積模量Bt用來(lái)代替切線泊松比Vt，再通過(guò)式(2)求解切線泊松比。

表1 模型參數(shù)

(1)

(2)

(3)

d11=d22=d33，d12=d21=d13=d31=d23=d32，其余為0。

模型的加卸荷準(zhǔn)則如下：

首先設(shè)定加載函數(shù)

(4)

定義SS為所有時(shí)間最大值Ssmax，根據(jù)σ3利用式(5)計(jì)算出最大應(yīng)力，然后將Sc與現(xiàn)在土應(yīng)力S進(jìn)行對(duì)比：

(5)

當(dāng)S≥Sc，是加載狀態(tài)，E=Et；

當(dāng)S0.75Sc，是全卸載狀態(tài)，E=Eur；

當(dāng)0.75S

(6)

3 結(jié)果分析

3.1 竣工期計(jì)算結(jié)果分析

圖1為竣工期土石壩壩體的位移變形等值線圖。可以知道，施工過(guò)程中在自重荷載作用下，土石壩壩體上、下游水平位移大致對(duì)稱分布，在壩體與地基交界處附近位移較大，然后在垂向上逐漸減小。上、下游最大水平位移分別為0.22、0.29m，發(fā)生在距壩軸線52、51m位置處。垂向位移要大于水平位移，由上至下逐漸減小，最大值為0.94m，發(fā)生在壩頂附近。心墻水平位移相對(duì)較小，垂向出現(xiàn)了明顯的沉降。

圖2為竣工期土石壩壩體的應(yīng)力等值線圖。壩體心墻附近應(yīng)力較大，然后向兩側(cè)壩坡逐漸減小，在垂向上從上至下應(yīng)力逐漸增大，壩體最大應(yīng)力出現(xiàn)在心墻與壩基交界面附近。隨著深度增加，地基承受的應(yīng)力逐漸增大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在地基底部，均在材料的承受范圍。在此主要對(duì)壩體部分進(jìn)行研究，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2。

表2 竣工期壩體位移與應(yīng)力最大值

3.2 蓄水運(yùn)行期計(jì)算結(jié)果分析

圖3為蓄水運(yùn)行期土石壩壩體的位移變形等值線圖。可以看出，運(yùn)行期的位移分布與竣工期相似，上游位移要小于竣工期，下游位移大于竣工期。主要是運(yùn)行期位移是在重力荷載和水壓力共同作用下產(chǎn)生的，在上游水壓力阻礙壩體變形，下游側(cè)位移是重力和水壓力產(chǎn)生變形在同一個(gè)方向，導(dǎo)致位移疊加。上、下游最大水平位移分別為0.13、0.34m，變化幅度分別為37%、15%，對(duì)應(yīng)位置分別發(fā)生在距壩軸線52、45m處。垂向位移分布規(guī)律與竣工期類似，位移變化幅度比竣工期大，最大位移為0.86m，依然發(fā)生在壩頂附近。心墻水平位移增大到0.16m，垂向位移變化不大，均發(fā)生在心墻與基礎(chǔ)的交界面處。

圖4為蓄水運(yùn)行期土石壩壩體的應(yīng)力等值線圖。壩體應(yīng)力分布規(guī)律與竣工期相似。壩體最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均增大，增加幅度分別為13%、15%。這是因?yàn)槌惺茉谥亓A(chǔ)上，還承受水壓力荷載的作用。心墻的應(yīng)力相對(duì)出現(xiàn)減小，心墻主應(yīng)力均減小，減少幅度為12%、6%。主要是因?yàn)樾膲π巫儽容^均勻，同時(shí)壩體承受了較大荷載。整體的應(yīng)力在材料的允許范圍之內(nèi)。具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。

圖1 竣工期土石壩壩體變形位移等值線圖

圖2 竣工期土石壩壩體應(yīng)力等值線圖

圖3 蓄水運(yùn)行期土石壩壩體變形位移等值線圖

圖4 蓄水運(yùn)行期土石壩壩體應(yīng)力等值線圖

表3 蓄水運(yùn)行期壩體位移與應(yīng)力最大值

4 結(jié)語(yǔ)

(1)蓄水運(yùn)行期與竣工期位移分布規(guī)律一致，水平方向壩體以心墻為分界分別向上下游變形。與竣工期相比蓄水運(yùn)行期上游變形小、下游變形較大，變化幅度分別為37%、15%；垂向位移變小幅度為9%。心墻水平位移出現(xiàn)大幅增加，增加幅度為15倍；心墻垂向位移出現(xiàn)減小，減少幅度為24%。

(2)壩體主應(yīng)力以心墻分界向上下游壩坡逐漸減小。蓄水運(yùn)行期與竣工期相比壩體主應(yīng)力均增大，增加幅度分別為13%、15%；心墻主應(yīng)力均減小，減少幅度為12%、6%。

(3)在竣工期和蓄水運(yùn)行期應(yīng)力均在土料承受范圍內(nèi)，在實(shí)際運(yùn)行中要根據(jù)應(yīng)力和位移分布規(guī)律來(lái)進(jìn)行適當(dāng)加固，保證樞紐的持久運(yùn)行。