某水庫圍壩數值模擬研究

2020-06-03 04:32:36徐廣忠

黑龍江水利科技 2020年4期

徐廣忠

(丹東市水務服務中心，遼寧丹東 118000)

0 引言

水庫大壩是一種起到調節區域內水流和雨季攔截山洪同時旱季蓄水儲存功能的水利工程建筑物。在我們所研究的區域的水文方面存在著支線取水與干線輸水之間時空分配的矛盾，需要某水庫提供蓄干線引江水量的功能，使支線取水與干線輸水的問題同時得到解決，同時也為南水北調工程中輸水干線供水目標的完成提供了保障，所以作為水庫的主要組成部分的水庫大壩的安全設計是至關重要的。楊星和許健在類似的小灣河水庫土石壩工程中，選取秦安小灣河混凝土面板堆石壩壩體典型剖面，利用ANSYS軟件建立模型和劃分網格，進行二維有限元應力應變計算，結果表明：壩體位移及應力應變滿足安全要求[1]。還有唐克東、于銳鋒等人做了某平原水庫圍壩截滲墻的應力應變分析，應用非線性有限元法對其進行應力分析，結果指出：在施工及水庫蓄水過程中，壩體和地基受力及位移符合要求，能夠保證壩體安全。丁磊采用可視化分析軟件SDAS對瀝青混凝土心墻壩進行數值模擬，得出心墻不會出現剪切破壞的結論[2-3]。林成剛和周杰以西部某中型水庫土石壩工程為研究對象，采用非線性靜力有限元法，揭示典型工況土石壩除險加固前后壩基、壩體及防滲墻的應力場分布，對除險加固前后的壩體靜力穩定性進行了評價。呂靜靜和盧玲以青海省海西州老虎口水庫壩型為例，對大壩進行應力應變分析，發現了深厚覆蓋層上面板壩的應力變形規律。胡金蓮、曹婉和李天河為了解三峽左岸大壩應力應變的工作性態及變化趨勢，選擇大壩的14號關鍵壩段對壩體的應力應變進行分析，分析表明，壩體應力應變在設計的混凝土標號的抗壓、抗拉強度范圍內，其分布及變化符合重力壩一般規律。劉斯宏和汪易森采用改進的鄧肯-張模型對天荒坪上水庫主壩進行了三維應力應變分析，與真實結果做對比發現基本吻合。賈慧鵬對張峰水庫大壩原型沉降觀測資料進行進一步分析，再將計算結果與原型觀測資料進行對比,不符合時采用優化方法調整參數，直到計算結果與原型觀測資料基本相符為止，得到了合適的參數。文章基于鄧肯-張雙曲線計算模型，選用加拿大巖土工程設計分析軟件Geostudio中的應力應變分析模塊(Sigma/W)，對某水庫圍壩進行了應力應變分析方面的數值模擬，驗證了數值模擬得出的施工完建期和蓄水期兩個工況下的壩體與壩基應力、位移與穩定性，同時對比了施工完建期和蓄水期兩種工況下壩體與壩基應力、位移與穩定性的變化。

1 工程概況

水庫圍壩的建筑物級別為2級。壩頂的高程為31.75-32.70m，上游側有1.1m高的防浪墻，主要構成為漿砌塊石，墻頂的高程為32.75-33.80m，壩頂的寬度為7.5m。上游壩坡1∶2.75，下游壩坡1∶2.5，在26.0m高程處設2.0m寬戧臺。截滲溝作為十分重要的一部分設置在下游的棄土壓重平臺壩腳外10.0m處，底的寬度為1.5m，邊坡12.0，平均深度為3.0m，干砌塊石護坡為0.2m，碎石墊層厚度為0.15m、反濾層由250g/m2的土工布構成。水庫最高蓄水水位為30.0m。

2 應力應變計算

2.1 計算理論

根據《碾壓式土石壩設計規范》SL274—2001要求，圍壩應進行沉降分析，計算在土體自重及其他外荷載作用下壩體和壩基的應力、變形。有限元法作為一種十分簡便有效且精確的方法，非常適用于建設在復雜軟弱地基上的水庫圍壩以及1、2級的高壩這一類工程，同時它還可以對這一類工程的應力和位移情況進行計算分析。

2.2 計算模型

在對水庫圍壩土體進行應力與位移方面的數值模擬分析時，怎樣確定材料的計算模型和應力位移關系是本次研究的一大重要問題。在目前的專業領域來看，鄧肯-張雙曲線計算模型有著非常成熟的體系且計算簡便快捷同時也滿足本次研究對計算精度的要求，因此我們選用它對大壩進行非線性分析。

切線模量為：

(1)

式中：Et為土的切線模量(MPa)；σ1,σ3為大小主應力(MPa)；c,φ為土的凝聚力和內摩擦角(°)；K,n為土的模量系數和模量指數； Rf為土樣破壞時的應力稱為破壞應力差(σ1-σ3)f，它總是比應力差極限(σ1-σ3)u小，令：

Pa為大氣壓力(MPa)。

本次研究采用非線性分析的方法對土體進行一系列計算分析，其核心方法就是增量法。不過需要充分注意的是，在計算時一定要修正剪壞以及拉裂這兩個方面，因為一旦忘了修正這個步驟，不僅這一次的計算要重新進行，之前的計算分析結果也要進行準確性的再評估，同時固結壓力作用歷史與卸荷的影響也必須要考慮進來。切線泊松比：根據某些試驗結果，鄧肯-張假定軸向應變εn側向應變εr之間，存在雙曲線關系，即：

(2)

式中：f，d待定系數。由此可推導出切線泊松比為：

(3)

(4)

式中：g、F為試驗常數。應力增量與應變增量的關系為：

(5)

2.3 計算方法

1)土石壩的非線性有限元分析：美國人克勞夫(Clough)和伍德沃德(Woodward)在1967年第一次把有限單元法應用于土石壩非線性分析當中以來，之后的幾十年里，模擬施工逐級加荷的方法也在壩體應力計算方面正式展開了使用，并且取得了巨大的成就，最實用的就是大大減少了工程的計算量，極大的提高了這一類工程的效率。而在這之后被廣泛采用的非線性有限元方法也在土石壩的應力應變分析中起到了巨大的作用，普遍得到了業內的認可。首先這種方法的精度滿足大多數研究的要求，其次它也能夠比較真實地反映真實施工的情況。國內外在之后的研究也多次用到了這個方法。

2)施工逐級加荷：采用增量法的優點有：①充分考慮荷載的逐級施加，并且能把各施工階段的應力變形都詳盡的計算出來；②經過這種施工逐級加荷計算后，結構本身的隨著施工填筑而變化所產生的對應力與位移的影響能夠被詳盡的反映出來。

2.4 計算工況

1)施工完建期。

2)蓄水至設計水位30m。

2.5 計算軟件

計算軟件方面選用選用加拿大巖土工程設計分析軟件Geostudio中的應力應變分析模塊(Sigma/W)。因為它具有這樣的優點：全套全面模型公式，在使用之后簡單的巖土問題它不但可以輕松解決，對于線性彈塑性、非線性彈塑性、非線性等高度復雜的巖土問題它還可以進行詳盡的計算分析。

2.6 計算參數

鄧肯模型參數見表1。

表1 鄧肯模型計算參數

2.7 計算結果及分析

Sigma/W程序中，用戶可以在一個文件中建立初始應力模型和動態荷載變形模型，詳細的施工過程可以按次序進行模擬，大壩模擬施工過程分8級加荷，計算模型如圖1所示。

圖1 南壩(4+464-5+178)分層施工模擬圖(施工完建期)

2.7.1 施工完建期

1)壩體及壩基應力：在施工期，南壩壩體及壩基單元的應力分布及數值均符合一般土石壩的受力特點，壩體內的水平應力、豎向應力與大、小主應力的整個趨勢都是隨深度增加的，壩基底部的最大主應力為678.8kPa，壩體及壩基內沒有出現拉應力，僅在壩坡表面及下游壓重上部出現很小一部分的受拉區，對壩體穩定影響不大，也不會出現影響大壩安全的裂縫，如圖2-圖5所示。

圖2 南壩4+753斷面施工期豎向應力云圖(kPa)

圖3 南壩4+753斷面施工期水平應力云圖(kPa)

圖4 南壩4+753斷面施工期最大主應力云圖(kPa)

圖5 南壩4+753斷面施工期最小主應力云圖(kPa)

壩體底部出現了最大剪應力，同時其位移分布規律與真實情況做對比發現基本相符和。最大剪應變出現在壩軸線附近的壩基2層黏土部位及2-1層淤泥質黏土部位，與塑性破壞區域相對應，如圖6、圖7所示。

圖6 南壩4+753斷面施工期最大剪應力云圖(kPa)

圖7 南壩4+753斷面施工期最大剪應變云圖

2)壩體及壩基位移：壩體內分層水平位移最大值發生在壩腳處，最大值在上游側為-0.2297m，在下游側為0.2287m，豎向位移最大值發生在壩體底部，最大值為-0.7019m(圖中，“-”表示方向向下)，水平位移在上游側偏向上游(圖中，“-”表示偏向上游)，在下游側偏向下游。如圖8、圖9所示。

3)判斷塑性破壞區域：如圖10所示，圖中深色區域代表發生塑性破壞的區域，在壩軸線處的壩基2層黏土部位及2-1層淤泥質黏土部位出現了小范圍的塑性破壞區，對大壩的穩定可能有影響，壩腳壓重是必要的。

圖8 南壩4+753斷面施工期豎向位移云圖(m)

圖9 南壩4+753斷面施工期水平位移云圖(m)

圖10 南壩4+753斷面大壩塑性破壞區(深色區域)

4)判斷壩坡穩定性：圖11和圖12是通過有限元法計算出的上下游壩坡的滑弧位置，與最大剪應變圖(圖7)比較可以看出，二者基本滿足分布規律，表2是分別按有限元法與畢肖普法計算得出的南壩施工期壩坡的穩定系數，同樣，用有限元法計算出的結果較小一些。分析其原因，主要是滑弧形狀有差異，有限元法計算的滑弧底部在軟黏土層有一段平直段，考慮了可能的塑流問題。