龍?zhí)逗铀畮旃こ掏潦瘔戊o動力分析與應(yīng)力變形研究

向金寶，武娥芬

（1.曲靖市麒麟?yún)^(qū)水務(wù)局,云南 曲靖 655000；2.云南能陽水利水電勘察設(shè)計有限公司,云南 曲靖 655000）

水利工程中的土石壩由于其工期短、投入省等優(yōu)勢被廣泛采用。然而,土石壩不均勻沉降可能導(dǎo)致壩體傾斜、滲漏等問題,對工程安全造成巨大隱患。此外,土石壩還存在著在強(qiáng)地震作用下可能發(fā)生坍塌、震陷的風(fēng)險,這對壩體的施工具有重要影響[1]。因此,土石壩的靜動力分析和應(yīng)力變形研究對于保障工程的安全至關(guān)重要。但目前土石壩的靜動力分析和應(yīng)力變形研究存在一些技術(shù)難題,首先是土石壩在承受水壓力和自重荷載的情況下會發(fā)生復(fù)雜的非線性變形行為[2]。這些復(fù)雜的行為使得靜動力分析和應(yīng)力變形研究更加困難。其次由于土石壩材料的異質(zhì)性和各向異性,以及實地測試環(huán)境的限制,獲取準(zhǔn)確的材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)是非常困難的[3]。此外,土石壩的幾何形狀和邊界條件的復(fù)雜性,使得模型建立和計算方法選擇具有一定的挑戰(zhàn)性[4]。鑒于此,提出構(gòu)建Duncan-ChangE-B 模型,并結(jié)合三軸試驗和三維有限元計算方法對土石壩的靜動力分析和應(yīng)力變形進(jìn)行研究。

1 水庫工程概況及地質(zhì)條件分析

龍?zhí)逗铀畮煳挥谇甘绪梓雲(yún)^(qū)茨營鄉(xiāng)紅石巖村上游約150 m 處。擬建的龍?zhí)逗铀畮斐踹x壩址位于整寨村與胡家墳村之間的河段上,分為上、下壩址,上壩址壩高59.0 m,壩軸線長578.0 m,正常蓄水位1925.51 m,相應(yīng)正常庫容1842.0 萬m3,總庫容2097.5 萬m3；下壩址壩高59.0 m,壩軸線長580.0 m,正常蓄水位1921.1 m,相應(yīng)正常庫容1831.0 萬m3,總庫容2106.4 萬m3。該區(qū)域出露地層為泥盆系、石炭系、二疊系、第三系和第四系,其中以石炭系、二疊系、第三系分布范圍最廣。而工程區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺滇東臺褶帶曲靖臺褶束富源凹褶,區(qū)域構(gòu)造以華夏系構(gòu)造和山字型構(gòu)造為主。

2 土石壩靜動力分析與應(yīng)力變形研究策略

龍?zhí)逗铀畮旃こ淌且粋€重要的水利工程,土石壩是該水庫的主要建筑物。進(jìn)行土石壩的靜動力分析與應(yīng)力變形研究十分重要,這可以幫助工程師評估土石壩的穩(wěn)定性和安全性。水庫土石壩主要坐落于龍?zhí)逗拥谒南禌_洪積層覆蓋層上,壩基巖體為CV類,筑壩所用土料取自龍?zhí)逗铀畮旃こ塘蠄?取土深度為最大為15.2 m。共選取六種土壤層作為實驗土料,土層的基本物理性質(zhì)見表1。

為測定土料靜、動應(yīng)力變形分析所需要的計算參數(shù),采用三軸試驗進(jìn)行測定。選用GCTS 公司的靜三軸試驗儀器對龍?zhí)逗油翂蔚鼗吞钪亮线M(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗。選用MTS Systems Corporation 的動態(tài)三軸試驗儀器在施加荷載的情況下進(jìn)行動力變形實驗[5]。通過三軸試驗可得Duncan-ChangE-B 模型所需的參數(shù),具體見表2。

表2 龍?zhí)逗铀畮焱翆覦uncan-ChangE-B 模型所需參數(shù)

由于土石壩巖體具有非線性的特性,采用有限元方法從靜力分析方面對沉降位移和應(yīng)力計算。先利用龍?zhí)逗铀畮斓刭|(zhì)剖面圖,建立“壩體-地基-排水管道”的三維立體模型,然后采用掃掠方式將模型六面體網(wǎng)格,每個單元網(wǎng)格之間通過結(jié)點連接,使整個模型呈現(xiàn)離散結(jié)構(gòu)。具體見圖1。

圖1 龍?zhí)逗铀畮焱潦瘔斡邢拊S模型及網(wǎng)格劃分

使用C3D8P 單元表示圖1 中的計算單元,并采用Duncan-ChangE-B 模型計算模量。具體的計算方法見式（1）。

式中：Et為切線變形模量；K和n為試驗常數(shù)；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；-為三軸剪切試驗中的應(yīng)力差；Rf為破壞比；Eur為回彈模量；Kur為1g（Eur/pa）-1g（/pa）直線的截距。

為了對試樣土石壩的加卸載狀況進(jìn)行判斷,引入加載函數(shù)進(jìn)行判斷,具體見式（2）。

式中：Ssm為試樣土壤所受荷載作用的最大值；Sm為臨界水平。

當(dāng)S＞Sm,試樣土壤處于加載狀態(tài),計算時采用Et公式進(jìn)行計算；當(dāng),試樣土壤處于卸載或在加載狀態(tài),計算時采用Eur公式計算；當(dāng),試樣土壤處于計算時采用內(nèi)插法進(jìn)行計算。實際的土石壩施工是一個分層逐級加載的過程,因此在有限元三維分析中采用在INP 文件修改關(guān)鍵詞的方式移除壩體單元,然后再逐個激活每層單元格的方法來模擬現(xiàn)場施工的真實情景。對于壩體的動力問題分析與靜力分析一致,均是采用有限單元法。動力計算動力剪切模量G 和阻尼比λ的計算方法見式（3）。

地震產(chǎn)生的永久變形可根據(jù)應(yīng)力水平、動剪應(yīng)變幅值及等效振動次數(shù)用下列經(jīng)驗公式計算,具體見式（4）。

式中：Δεvp為殘余體應(yīng)變量；Δγp為殘余偏應(yīng)變增量；s代表試樣的剪應(yīng)力水平；c1、c2、c3、c4、c5為模型參數(shù)。

振動孔隙水壓力ΔU 計算方法見式（5）。

式中：kur為回彈體積模量。

3 土石壩靜動力與應(yīng)力變形結(jié)果分析

根據(jù)真實的施工填筑順序?qū)執(zhí)逗铀畮焱潦瘔沃鸩教盍?從上下兩個土石壩各選取一個典型剖面進(jìn)行計算,具體結(jié)果見表3。

表3 土石壩靜動力分析計算結(jié)果

從土石壩的靜力方面分析土石壩竣工期的應(yīng)力分布,竣工期的三維應(yīng)力分布結(jié)果見圖2。

圖2 龍?zhí)逗铀畮焱潦瘔稳S應(yīng)力分布圖

由圖2（a）可知,在整個大壩和河床的垂直方面,主應(yīng)力隨著土層深度增加而增大,最大主應(yīng)力在河床基地最下層,約為3.122 MPa。沿著整個土石壩的軸線方向,主應(yīng)力沿箭頭所指方向逐漸增大,所以筑壩高度也應(yīng)該逐漸加大。土石壩的坡腳和整個壩體的轉(zhuǎn)角接觸部位的拉應(yīng)力最大值為4.982 MPa,這表明在土石壩填筑過程中可能會導(dǎo)致壩體出現(xiàn)拉張裂縫,所以在現(xiàn)場施工時需格外注意。接著設(shè)置實際施工填筑速度為0.6 m/d,再從土石壩的靜力方面分析土石壩竣工期位移分布,具體結(jié)果見圖3。

圖3 龍?zhí)逗铀畮焱潦瘔稳S位移分布圖

由圖3 可知,沿著箭頭方向,土石壩的固結(jié)沉降隨著壩高度的增加而增加,豎向位移的最大沉降位置約在整個壩體的1/5 位置。并且水平位移和豎向位移的沉降規(guī)律幾乎相同,位移隨著壩高度的增加而增加。此外,在填筑過程中,會影響整個地基的土壤沉降,影響范圍約為整個地基模型的1/4深度。接下來從動力方面進(jìn)行分析,設(shè)置地震波為云南省近5 地震歷史記錄的數(shù)據(jù),然后使用加速度時程輸入方式,設(shè)置加速度峰值為0.25 cm/s2,采樣間隔時長間隔0.001 s,采集點5000個,對龍?zhí)逗油潦瘔芜M(jìn)行地震動力響應(yīng)分析,壩頂、壩中、壩基結(jié)點的絕對加速度響應(yīng)變化曲線見圖4。

圖4 地震時壩體不同部位的加速度時程曲線

由圖4 可知,加速度的峰值出現(xiàn)在14.2 s,此時壩頂、壩中、壩基三個節(jié)點的加速度分別為-13.9 m/s2、-3.6 m/s2、-0.8 m/s2。隨著壩體高度的增加,壩頂對于壩低的加速度有明顯的增大效應(yīng)。這種加速度的分布顯示出壩體各結(jié)構(gòu)的加速響應(yīng)在不同層面上的差異性。壩頂節(jié)點處于最顯著的加速狀態(tài),受到了最大的外部力或承受了最大的負(fù)載。而壩基節(jié)點的加速度較小,表示它受到的外部力或負(fù)載較小。最后對壩體地震后的殘余變形進(jìn)行分析,三維模擬結(jié)果見圖5。

圖5 地震后壩體三維位移分布圖

由圖5 可知該土石壩的豎向殘余變形近似對稱分布,最大值出現(xiàn)在壩頂,隨壩體的高度增加而增加。水平殘余變形均為鼓出變形,最大值出現(xiàn)在上下游壩坡中部。上下游側(cè)水平向殘余變形最大值分別約為1.28 m 和1.19 m,因此在施工時需采用一定的防震手段提高土石壩中部的抗震能力。

4 結(jié)論

在對龍?zhí)逗油潦瘔蔚撵o動力分析和應(yīng)力變形分析的結(jié)果顯示,竣工期上壩的壩體和壩基最大沉降值分別為2.45 cm 和1.90 cm,下壩的壩體和壩基最大沉降值分別為2.63 cm 和2.03 cm。沉降值稍微偏大,但是不會對大壩產(chǎn)生大的危害。三維模型中拉應(yīng)力最大值為4.982 MPa,出現(xiàn)在坡腳處,因此填筑土石壩時需注意。三維模型位移分布中,土石壩圍結(jié)后,最大沉降位置約在整個壩體的1/5 位置,最大沉降約為2.70 cm。土石壩的地震動力響應(yīng)分析中,加速度的峰值出現(xiàn)在14.2 s,此時壩頂、壩中、壩基三個節(jié)點的加速度分別為-13.9 m/s2、-3.6 m/s2、-0.8 m/s2。地震后水平殘余變形最大值出現(xiàn)在上下游壩坡中部,上、下游側(cè)水平向殘余變形最大值分別約為1.28 m 和1.19 m。綜合以上數(shù)據(jù)來看,龍?zhí)逗铀畮焱潦瘔问前踩摹１M管存在一些沉降和應(yīng)力變形,但這些結(jié)果都在可接受的范圍之內(nèi),不會對大壩的穩(wěn)定性和安全性造成明顯危害。為了確保該工程長期安全的運(yùn)行,需持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)工作,同時采取相應(yīng)的措施來應(yīng)對抗地震所帶來的風(fēng)險。