瀝青混凝土心墻壩穩(wěn)定性有限元分析研究

范穎驊

(浙江省寧波弘正工程咨詢有限公司，浙江 寧波 315000)

1 緒 論

隨著我國(guó)水利工程的不斷建設(shè)，各種壩型施工技術(shù)得到快速發(fā)展。但近年來(lái)因地形多樣、地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，混凝土壩發(fā)展受到限制。在復(fù)雜壩址條件下的土石壩急劇增多，其中防滲體選用心墻的土石壩得以快速發(fā)展，已經(jīng)成為壩工設(shè)計(jì)的一個(gè)新方向。眾所周知，我國(guó)多地區(qū)多雨高寒、缺少黏土、地震頻發(fā)等，在這種水文地質(zhì)條件下宜設(shè)計(jì)為瀝青混凝土心墻土石壩，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為瀝青混凝土作為防滲體，防滲性能良好、抵抗沖擊力強(qiáng)、施工速度快、塑性性能好、耐久性和裂縫自愈能力突出，尤其在多雨濕潤(rùn)及嚴(yán)寒地區(qū)能夠快速施工。因?yàn)r青混凝土心墻防滲結(jié)構(gòu)擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，和施工技術(shù)的大力推廣，在壩工界已成為土石壩筑壩技術(shù)的新亮點(diǎn)[1]。

2 有限元模擬原理

2.1 施工過(guò)程模擬

瀝青混凝土心墻壩壩體與心墻是分層碾壓，荷載施加為逐層加載的過(guò)程，同步碾壓時(shí)心墻體和堆石體的施工加荷即自重如圖1。

圖1 土石壩逐級(jí)加荷施工

在高土石壩模擬施工時(shí)中采用逐級(jí)加荷，至少分8—10級(jí)。有限元計(jì)算采用增量法，可使每一層壩體應(yīng)力應(yīng)變和實(shí)際相符，施工時(shí)大壩結(jié)構(gòu)的變化，充分體現(xiàn)材料非線性特性。

2.2 蓄水過(guò)程模擬

隨著庫(kù)水位上升水壓力增高，荷載施加至少分3-4級(jí)。因上游堆石料的透水性，蓄水期水壓力通過(guò)壩殼料直接作用于瀝青混凝土心墻。水壓力在每層壩面的荷載施加如圖2所示。

圖2 逐級(jí)施加水荷載示意圖

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水電站位于四川省境內(nèi)，主要以發(fā)電為主，兼顧生態(tài)灌溉、旅游等綜合效益。水庫(kù)正常蓄水位2325.00m，死水位2305.00m，壩頂高程2329.20m，壩頂長(zhǎng)215.36m，壩頂寬12.0m，總庫(kù)容1.4億m3。樞紐建筑物主要包括溢洪道、瀝青混凝土心墻壩、廠房及左岸輸水系統(tǒng)等。

3.2 幾何模型

ADINA軟件在建模時(shí)遵循從“點(diǎn)到線，線到面，面到體”原則，模型中X軸是壩軸線方向，指向左岸為正；Y軸是水流方向，指向下游為正；Z軸是壩高方向，垂直向上為正。大壩模型共劃分53395個(gè)節(jié)點(diǎn)，36479個(gè)單元。大壩有限元模型和心墻剖面網(wǎng)格如圖3和4所示。

圖3 土石壩三維有限元模型

圖4 心墻剖面網(wǎng)格剖分圖

3.3 計(jì)算參數(shù)

大壩瀝青混凝土心墻、堆石區(qū)，過(guò)渡區(qū)及基巖覆蓋層采用鄧肯-張E-B模型參數(shù)，壩體底部基巖定義為線彈性材料，各材料的參數(shù)情況見(jiàn)表1。

表1 大壩材料計(jì)算參數(shù)表

3.4 計(jì)算工況

根據(jù)大壩施工、蓄水不同時(shí)段，計(jì)算分為兩種工況：

1)竣工期：荷載為壩體自重。

2)蓄水期：荷載為大壩自重和上游水壓力。

壩體上游面按7級(jí)施加水荷載，實(shí)現(xiàn)蓄水全過(guò)程荷載施加。大壩竣工期和蓄水期模擬共分22級(jí)完成[2-3]。

4 計(jì)算結(jié)果

壩體靜力計(jì)算結(jié)果規(guī)定如下：壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正，水平位移順?biāo)鞣较驗(yàn)檎Q直方向向上為正，壩軸線方向指向右岸為正。

4.1 竣工期、蓄水期計(jì)算成果

竣工期在筑壩材料的自重作用下，大壩產(chǎn)生豎直位移和水平位移，其應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)圖5-圖8所示，因文章篇幅受限，文章只展示竣工期大壩位移應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

瀝青混凝土心墻壩在竣工期、蓄水期時(shí)的靜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 竣工期壩體豎直位移等值線圖

圖6 竣工期壩體水平位移等值線圖

圖7 竣工期壩體大主應(yīng)力等值線圖

圖8 竣工期壩體小主應(yīng)力等值線圖

表2 壩體不同工況靜力計(jì)算結(jié)果表

由圖可知，竣工期壩體最大沉降為67.35cm，約在壩體中部偏上游位置。水平位移成對(duì)稱分布，壩體向上、下游的位移分別為5.62cm，5.64cm，都處于壩體中部約2/5壩高位置。壩體大主應(yīng)力最大值為2.75MPa，在心墻基座與壩體接觸位置，呈規(guī)律性變化，無(wú)拉應(yīng)力。壩體小主應(yīng)力最大值為-0.52MPa，出現(xiàn)在1/5壩高中部靠近心墻處[4]。

蓄水期壩體最大沉降是62.36cm，因受水壓力作用，壩體整體向下移動(dòng)，壩體上、下游部分位移為4.36、12.24cm，壩體大、小主應(yīng)力最值為-3.58MPa和-0.92MPa，發(fā)生位置基本和竣工期一致。

4.2 心墻的特征對(duì)比值

不同工況的瀝青混凝土心墻壩施工過(guò)程的心墻中心剖面位移應(yīng)力最大值見(jiàn)表3。

表3 瀝青混凝土心墻竣工期、蓄水期計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 論

基于有限元分析和鄧肯—張E-B模型原理，結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用ADINA軟件建立數(shù)值模型，分級(jí)進(jìn)行荷載施加分析竣工期和蓄水期下的瀝青混凝土心墻壩的三維靜力分析，得出大壩最大斷面和瀝青混凝土心墻最大斷面的應(yīng)力應(yīng)變的影響和大壩安全性分析。由計(jì)算結(jié)果可知，該瀝青混凝土心墻壩和高邊坡是安全穩(wěn)定的。