基于擠壓式邊墻的面板堆石壩靜力計(jì)算分析研究

孫文博

(黑龍江省黑河市水務(wù)局，黑龍江 黑河 164300)

1 擠壓式邊墻技術(shù)

擠壓式邊墻是對(duì)面板堆石壩的墊層和過渡層施工的技術(shù)創(chuàng)新，目的是為增強(qiáng)壩體上游坡面的穩(wěn)定性。施工工藝是在壩體料填筑前，先對(duì)擠壓邊墻進(jìn)行邊坡處理，通過擠壓機(jī)成型混凝土邊墻結(jié)構(gòu)，邊墻結(jié)構(gòu)和壩體高度同步上升，保證回填土、墊層料和過渡料的正常施工。當(dāng)擠壓墻結(jié)構(gòu)達(dá)到一定強(qiáng)度，再開始進(jìn)行回填土的碾壓密實(shí)。因其施工速度快，工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)可控，現(xiàn)已被大量使用在大壩工程中。

2 堆石體本構(gòu)模型

堆石壩土石材料的本構(gòu)關(guān)系及本構(gòu)模型采用非線性E-B模型[1]，假定土石料抗剪強(qiáng)度符合Moher-Coulomb破壞準(zhǔn)則，切線模量推導(dǎo)步驟如下：

2.1 切線彈性模量

Et=K(1-RfS)2Pa(σ3/Pa)n

(1)

其中

S=(σ1-σ3)(1-Sinφ)/(2Ccosφ+2σ3Sinφ)

(2)

φ=φ0-△φLog(σ3/Pa)

(3)

當(dāng)(σ1-σ3)<0.95(σ1-σ3)i-1且Si<0.95Si-1時(shí)土體無(wú)荷載，此時(shí)卸變形模量表達(dá)為：

Eur=KurPa(σ3/Pa)d

(4)

2.2 切線體積模量

土體中泊松比μ反映體積變化，稱為E-μ模型，切線體積模量由下式計(jì)算：

Bt=KbPa(σ3/Pa)m

(5)

計(jì)算時(shí)定義Bt在Et/3至17Et之間。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某混凝土面板堆石壩位于我國(guó)湖北省境內(nèi)，樞紐主要工程效益為發(fā)電，兼具防洪灌溉功能[2]，水庫(kù)正常蓄水位647.5m，壩頂高程651.0m，最大壩高115.3m，壩頂長(zhǎng)291.4m，總庫(kù)容0.99億m3，壩料分區(qū)為壩前鋪蓋、面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)和上、下游堆石區(qū)。混凝土面板及分縫圖見1。

圖1 混凝土面板及分縫圖

3.2 有限元模型

壩體有限元網(wǎng)格剖分[3]采用solid65八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元，擠壓式邊墻采用shell181單元，邊墻共劃分單元105個(gè)，節(jié)點(diǎn)113個(gè)。大壩共劃分三維空間單元1162個(gè)，結(jié)點(diǎn)5631個(gè)。壩體有限元網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 壩體有限元網(wǎng)格剖分圖

3.3 計(jì)算參數(shù)

壩體堆石料采用鄧肯E-B模型，各材料物理參數(shù)根據(jù)類似工程和專家經(jīng)驗(yàn)確定[4]，計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

計(jì)算時(shí)將面板和擠壓邊墻定義為線彈性材料，面板物理參數(shù)為E=20GPa，μ=0.167，d=2.45g/cm3；邊墻物理參數(shù)為：E=9GPa，μ=0.3，d=2.25g/cm3。

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1 施工期

施工期無(wú)水壓力，面板受力為自重，圖3至圖6為有邊墻的施工期面板應(yīng)力應(yīng)變等值線圖，僅對(duì)擠壓式邊墻法的壩體施工期應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行展示。

表1 堆石體材料參數(shù)表

圖3 壩體面板軸向位移變化圖

圖4 壩體面板法向位移變化圖

圖5 壩體面板軸向應(yīng)力變化圖

圖6 壩體面板順坡向應(yīng)力變化圖

由圖可得，施工期的壩體面板軸向位移變化指向河槽中央，右岸最大變形量為0.86cm，出現(xiàn)在壩體中部。左岸最大位移為0.72cm，出現(xiàn)在壩體頂端附近。因受大壩重力荷載，法向位移均垂直坡面，最大值1.83cm，出現(xiàn)在右岸壩體中部。面板撓度最大值為1.36cm，位于壩體面板轉(zhuǎn)折處，分析因受河谷“S”形所致，面板變形位置均偏左岸。施工期的面板順坡向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，無(wú)拉應(yīng)力發(fā)生，最大值為5.8MPa，出現(xiàn)在面板中下部；軸線應(yīng)力變化基本為壓應(yīng)力，最大值0.62MPa。在大壩岸坡位置產(chǎn)生較小拉應(yīng)力，最大值為0.23 MPa。

3.4.2 蓄水期

蓄水期面板因內(nèi)外水壓力作用，軸線位移較竣工期變化顯著，位移變化方向同施工期，右岸最大位移1.94cm，在壩體上部位置，左岸最大位移2.42cm，在壩體頂端中部附近。法向位移最大變化值34.5cm，面板撓度最大值27.6cm。蓄水期面板順坡向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大值7.1MPa，大壩底部出現(xiàn)較小范圍的拉應(yīng)力，最大1.9MPa。

3.4.3 對(duì)比分析

對(duì)比分析結(jié)果見表2。

表2 面板應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果對(duì)比表

由表2可見，擠壓邊墻對(duì)壩體受力具有一定的減荷作用，綜合認(rèn)為壩體穩(wěn)定受邊墻的影響不大。若僅對(duì)大壩進(jìn)行靜力計(jì)算分析，可不計(jì)邊墻受力影響，但作為混凝土面板和堆石料間的薄層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，在混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)予以考慮。

4 結(jié) 論

基于有限元模型建立原理和擠壓式邊墻的施工技術(shù)，對(duì)有無(wú)擠壓式邊墻的面板堆石壩進(jìn)行有限元計(jì)算分析，通過施工期和蓄水期不同工況下的應(yīng)用，對(duì)比不同方案下的應(yīng)變結(jié)果，表明有邊墻時(shí)對(duì)壩體應(yīng)力應(yīng)變擾動(dòng)小，尤其在上游壩體的應(yīng)力狀況得到改善。綜合認(rèn)為擠壓式邊墻的應(yīng)用對(duì)面板的應(yīng)力和變形狀況是有利的。