某面板堆石壩應力變形有限元數值模擬分析

2021-12-15 02:00:00李哲，楊帆

小水電 2021年6期

李哲，楊帆

(1．舟山市定海區水利局，浙江舟山 316000；2．水利部農村電氣化研究所，浙江杭州 310012；3．水利部農村水電工程技術研究中心，浙江杭州 310012；4．杭州亞太建設監理咨詢有限公司，浙江杭州 310012)

0 引言

面板堆石壩具有壩坡穩定性和壩體透水性好、抗震性能優越、施工導流與度汛方便等優點，而且造價低、工期短，在我國大壩建設中蓬勃發展，成為當今水利水電建設的主流壩型之一[1]。自“七五”開始，我國開始研究面板堆石壩的分析理論和方法，特別是隨著計算機的發展，以有限元為代表的數值仿真技術已成為模擬面板堆石壩施工過程、應力應變分析和壩體穩定安全評價的重要手段[2]；用于指導當前我國大規模水利水電建設中面板堆石壩的設計、施工、運行、監測和維護等工作，具有廣闊的實用價值和工程應用前景。本文以某調蓄水庫面板堆石壩工程為研究案例，通過Abaqus軟件對其進行數模模擬，并探討其在施工過程中質量進度控制的作用。

1 工程概況

某調蓄水庫工程位于浙江省舟山市定海區小沙街道，水庫流域集水面積2.3 km2，總庫容888萬m3，調節庫容777 m3。水庫壩體為面板堆石壩，壩頂高程64.30 m，防浪墻頂高程65.40 m，最大壩高50.5 m，壩頂寬6.00 m，壩頂長度300.00 m，主壩上、下游壩坡均為1∶1.4(見圖1)。

圖1 攔河壩主體工程平面布置

圖2 攔河壩標準剖面

壩體分區填筑，分層碾壓，自上游至下游依次分為8個主要填筑區：墊層區(2A區)、過渡層區(3A區)、壩頂過渡區(3A1區)、壩基過渡區(3A2區)、上游主堆石區(3B區)、下游堆石區(3C區)，另在面板周邊縫附近設置特殊墊層區(2B區)，大壩下游壩面為條石護坡(3D區)(見圖2)。

2 面板堆石壩有限元模型建立

2.1 堆石料和接觸面本構模型

現代面板堆石壩施工技術的發展，改變了傳統拋填堆石對石料強度和尺寸的嚴格標準，改為使用含有一定細顆粒的級配料石。以本工程主堆石區為例，設計指標提出的級配要求如下所示(見表1)。

表1 本工程3B區級配要求的設計指標

研究認為，堆石體材料是一種無粘性或粘性極弱(凝聚力低)的粗粒土，其力學特性復雜。根據相關學者的研究，主要包括以下個方面：

(1)壓硬性

現代堆石壩碾壓技術的發展下，薄層填筑和振動碾壓施工工藝使得堆石體碾壓后具有較高的密度和較小的孔隙比，壓縮變形相對較小；若忽視極小的孔隙水壓力帶來的滲透固結的影響，多數面板堆石壩的沉降變形主要發生在其施工期[3]。堆石體的壓縮模量可以表征堆石體的壓實性質及預測其變形大小。

(2)剪脹與剪縮性

堆石體的抗剪強度多被認為是摩擦力和咬合力的共同作用。粗顆粒的堆石體在剪切變形過程中會產生體積收縮或膨脹的現象，即剪脹或剪縮，對堆石體的強度和力學性質產生重要反饋[4]。

通俗的講，堆石體顆粒棱角較多，則咬合力大，在密度較高、圍壓較低的時候，將導致剪脹，相應的抗剪強度增量將增大；相反，若顆粒較圓，咬合力較小，密度較低，圍壓較高或顆粒嚴重破碎的時候，將發生剪縮，抗剪強度增量會減小。

(3)各向異性

許多學者的真三軸試驗研究表明，堆石料大主應力方向和小主應力方向施加相等的應力增量，各自所產生的受力方向應變增量不同，側向膨脹應變增量也不相同。堆石體的各向異性導致不同方向上的彈性模量、泊松比不同，且這些量隨應力水平改變，也導致了堆石體的非線性變形特性。

(4)非線性變形

區別于金屬等材料，堆石體的變形體現出明顯的非線性特性，主要因為其變形是彈性變形和不可恢復的塑性變形的疊加。堆石體顆粒受力時相互之間的位置調整在卸載后不能完全恢復，形成較大的塑性變形，經過加卸載循環后，應力路徑會形成回滯環[5]。

綜上，如何模擬堆石體復雜的物理力學特性是選取其本構模型的重要依據，盡可能準確地反映堆石體的一種或幾種主要力學性能，才能計算出較準確的結果。

目前，堆石料常用的本構模型主要有彈性非線性模型和彈塑性模型兩大類[6]。彈性非線性模型主要有Duncan_Chang模型、內勒K_G模型等，可以反映堆石料的非線性和壓硬性特性。彈塑性模型除反映堆石料的非線性和壓硬性外，還能反映剪脹性和各向異性，以雙屈服面模型應用為多，如沈珠江模型。而Duncan_Chang模型使用簡便，其數學表達式適合于增量有限元分析，所包含的參數大多與物理量之間有比較密切的關系，并積累了豐富的參數確定經驗，計算結果與工程實際指標擬合度較好，在工程中應用較為廣泛，本數值模擬采用此模型。

接觸面本構關系有彈性雙曲模型、彈塑性模型、剛塑性模型及黏彈塑性模型。在工程中以Goodman無厚度單元應用最廣，適用性最好，本數值模擬選用此模型。

2.2 面板堆石壩施工過程模擬

堆石壩填筑過程中，通常為薄層分層填筑，分層壓載。本工程經過壩體碾壓試驗，主堆和次堆區填筑每層厚度控制在80 cm，過渡區和墊層區控制在40 cm。所以在仿真模擬中，一次性加載完成堆石體模擬會造成很大偏差，也應采用分級逐層加載的方式。

根據Duncan_Chang模型特點，應力計算時要求首先就要確定加載前的初始應力狀態，而初始應力狀態對該級堆石體的加載有明顯影響。但是堆石體的實際初始應力狀態是難以精確計算的，所以如何確定每一級堆石體的初始應力狀態就成為堆石體非線性有限元模擬首先要解決的問題。相比于實際施工中每層堆石體填筑完成后頂面形成“自由面”，有限元分析中填筑層的頂部是有應力和應變的，因此必須考慮在每一級填筑結束的時候對該填筑層的頂部應力、應變進行修平，否則造成的應力應變累積效應會嚴重影響計算結果。

基于以上思考和假設，本研究利用Abaqus軟件對壩體施工期的應力應變狀態進行有限元模擬。

堆石體采用Duncan_Chang E_B模型，考慮面板、墊層區、過渡區、主堆區、次堆區和拋石區等材料分區。因壩址地基存在砂礫石層，基礎分層模擬，設置軟基層和基巖層，且不考慮基巖對壩體變形和應力的影響。

2.3 堆石壩模型建立

根據堆石壩建設施工過程測量數據，建立堆石壩三維有限元模型。模型的Y軸為順河向，指向下游為正，模型底部采用全約束，上、下游側面采用法向約束。因缺乏本工程Duncan_Chang模型的實驗資料，相關參數通過類比其他工程并結合設計文件確定，墊層區、過渡區、主堆石區、次堆石區等堆石體不同部位的Duncan_Chang E_B模型材料參數如下所示(見表2)。