基于软岩料填筑的面板堆石坝应力变形分析研究

郝英泽

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司， 哈尔滨 150080)



基于软岩料填筑的面板堆石坝应力变形分析研究

郝英泽

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司， 哈尔滨 150080)

随着国内外面板堆石坝筑坝技术的不断成熟，在面对各种复杂的地质条件及筑坝材料的多样性上的不断发展。目前，基于软岩料的筑坝技术也不断在走向成熟，渐已成为更多坝型的选取材料。我国幅员辽阔，地震带诸多，使得许多大坝不得不建在强震高发区，故基于软岩料填筑的面板堆石坝的控制设计中的抗震版块显得极为重要。文章采用三维有限元数值模拟，结合面板堆石坝筑坝材料的静力计算本构模型，在实际水利枢纽工程的基础上对基于软岩料填筑的面板堆石坝进行三维有限元分析，并将所得结论与工程实测数据进行对比验证数值模拟分析的可行性，计算得出的结论及成果对类似工程的控制设计具有一定的指导意义。

软岩料填筑；面板堆石坝；应力变形

0 前 言

结合国内外在建和已建的面板堆石坝的筑坝材料分析，实际工程因地制宜，筑坝材料选择范围较广。土石坝设计的最大特点是充分利用坝区的工程材料，最大程度上的缩短工期和减少运距[1]。软岩料一般分布较广，便于就地取材。开采难度低，这种材料的应用对坝体建设的作用越来越重要。为更加提高软岩料筑坝的技术水平，进一步改进施工方法，多家科研院所联合国内企业成立课题进行深入研究，现已取得了不错的成果。但工程地质条件的复杂性、坝高增加的难度性筑坝材料的多样性等方面问题，相关理论研究与试验研究的不断深入愈发重要。目前国内外在利用软岩料筑坝方面，已建的面板堆石坝诸多，工程建设经验不断得到丰富，但一些关键问题的认识急需深入研究，且软岩料的应用研究还将进一步拓展。

1 软岩料工程特性分析

《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL228—98)定义母岩的饱和抗压强度以30MPa作为软、硬岩的区分标准，具有代表性的岩石有页岩、千枚岩等。基于软岩料进行坝体填筑时，要进行相关的试验研究，对此种材料的工程特性进行全面了解。软岩料的工程特性主要为矿物成分、级配、压实性、压缩性、渗透性、强度等。软岩料一般矿物颗粒都极细小，硬度低的特点，在众多软岩中力学性质较为灵敏。软岩料的软化系数小，级配可变性较大，受外界环境因素影响较大。压实性和压缩性能与土体较为相似，存在最大干密度和最优含水率[2]，压实密度高，力学特性稳定。软岩堆石料能达到较高的压缩模量，满足筑坝的技术要求。它的渗透性主要受压实密度及细粒含量的影响，其渗透系数k变化范围较宽，但压实后渗透系数一般都较小[3]。

2 堆石料本构模型

2.1 非线性弹性模型

非线性弹性模型[4]是广义虎克定律的推广和延伸，材料的非线性特性基于变化的弹性常数来进行反映。文章采用的是邓肯E-B模型。

邓肯E-B模型是以切线弹性模量Et和切线体积模量Bt为计算参数。计算公式为：

(1)

式中：m为体积模量指数；Kb为体积模量基数。

模型还考虑粗粒料内摩擦角φd与围压σ3的变化关系，表达式为：

(2)

式中：φ0-σ3为单位大气压的φd值。

邓肯E-B模型是在非线性弹性模型中应用较广，其特点是模型参数较少且数据来源通过试验确定，简单易行等优点，是三维有限元计算分析中常采用的本构模型的典型代表。

2.2 面板和垫层间的接触面的有限元模型

为了更好地模拟面板与堆石料间的物理形态，有限元计算中在二者之间设置接触面单元。文章采用无厚度Goodman接触面单元。其切向劲度表达式为：

(3)

式中：n为模量指数；τ为接触面方向的剪应力；σn为法向应力；φ为摩擦角；Rf为破坏比。

法向劲度的确定：接触面受压、拉时，分别取值取1.0×105MPa/m，1MPa/m。X、Z方向的剪切劲度计算公式为：

(4)

相应方向的劲度系数通过试验确定。

3 工程概况

某水利枢纽工程主要以地区供水和下游灌溉为主，兼有发电、防洪等功效。工程等级为Ⅰ等大(1)型工程。总库容10.45亿m3，电站总装机67万kW，坝顶高程为890m，最大坝高150m，正常蓄水位为880.0m。大坝主要由坝体、电站厂房、溢洪道和引水发电隧洞组成。坝体分区共分为7个区域[5]，具体分区的混凝土面板堆石坝标准剖面图见图1。

图1 面板堆石坝标准剖面图

3.1 材料计算参数

该工程各分区材料计算参数的具体取值见表1[6]。

3.2 有限元模型

有限元模型计算区域的选取：沿坝轴线向上、下游分别取150m,竖直方向取150m。计算坐标系为：X轴为水流方向，向下游为正；Y轴为坝轴线方向，向左为正；Z轴为竖直方向，向上为正。计算模型划分采用八结点六面体等参单元，局部采用四结点四面体单元来填充，共得到单元有14880个，节点有17065个[7]。计算工况分为两种：竣工期和蓄水期，分别研究坝体在不同工况下的应力变形。有限元模型见图2。

表1 坝体各分区材料邓肯E-B模型参数表

图2 大坝三维有限元计算模型

3.3 计算结果

坝体应力变形应力符号定义为：以拉应力为正，压应力为负。位移符号定义为：坝体水平指向下游为正，竖直方向向上为正，坝轴线方向指向右岸为正。

1)竣工期应力变形见图3-7所示。

图3 竣工期坝体标准剖面垂直位移等值线图

图4 竣工期坝体标准剖面水平位移等值线图

图5 竣工期坝体标准剖面大主应力等值线图

图6 竣工期坝体标准剖面小主应力等值线图

图7 竣工期坝轴线方向位移等值线图

通过计算结果可知：竣工期坝体最大沉降为1.054m，在坝高约1/2处的次堆石区域内，通过对比研究发现坝体不同分区的软岩料和硬岩料填筑的坝体最大沉降值相比相差较大[8]。证明软岩料受力区域较大，故坝体的最大沉降值相比较大。

竣工期坝体上、下游最大水平位移0.223m和0.252m。从图中可以看出硬岩料填筑部位水平位移分布比较对称，而软岩料填筑的区域水平位移分布较不对称，分析因为软岩料分布区域较大，故最大水平位移相比较高。

竣工期坝体大、小主应力最值发生在大坝底部，均为压应力，最值为2970.25 KPa和1002.15。次堆石区软岩料填筑的坝体的大主应力、小主应力均比硬岩料填筑的部位数值增大。

竣工期坝体沿坝轴线方向左、右岸最大位移为0.1280和0.1282m。同时次堆石区采用软岩料填筑的坝体最大位移也均比硬岩料填筑的部位数值大。

2)蓄水期坝体的变形及应力见图8-12所示。

图8 蓄水期坝体标准剖面垂直位移等值线图

图9 蓄水期坝体标准剖面水平位移等值线图

图11 蓄水期坝体标准剖面小主应力等值线图

图12 蓄水期坝轴线方向位移变化等值线图

由计算结果图示可知，蓄水期坝体最大沉降发生在坝高月1/2处，最大值为1.192m，相比竣工期的计算结果在蓄水期，坝体在静水压力作用下的位移变化分布略微增大，但数值相差不大。同时采用软岩料填筑的坝体竖直位移相对均有增大的趋势。

蓄水期坝体水平位移上、下游的最大水平位移0.204m和0.246m，和竣工期的相比可以得出，蓄水后坝体上游水平位移有所减小，下游水平位移相差不大。采用软岩料填筑的坝体区域顺河向水平位移最大值均明显增大。

蓄水期坝体大、小主应力的等值线分布图中分布规律和竣工期相比基本一致，但从数值分析均有所增大。坝体大、小主应力的最值均发生在坝体底部，为3999.15 KPa 和1296.25 KPa，均位于坝体底部。次堆石区采用软岩料填筑的坝体最大剖面大、小主应力值相对较大。

蓄水期坝体沿坝轴线方向左、右岸最大位移0.1270和0.1275m。次堆石区采用软岩料填筑的坝体位移最大值相比硬岩廖填筑区较大。通过蓄水期的坝体应力变形结果表明在坝体自重和静水压力共同作用下最不利的位置在正常蓄水位处。

4 结 论

文章在对软岩料的工程特性进行分析总结，并结合工程实例，结合坝体材料混凝土面板、接触面、趾板、主堆石区和次堆石区的本构模型，对基于软岩料填筑的面板堆石坝进行静力有限元数值仿真计算，分析研究软岩料填筑面板堆石坝的在不同工况下的应力应变。计算结果显示，坝体的主要位移发生在竣工期，采用软、硬岩料不同分区材料填筑的坝体最大沉降值相比差距较大，软岩料区域利用范围增加，最大沉降值也相应增大，坝体的水平位移和最大沉降均符合设计要求，与工程实测资料相比有限元计算结果均在合理范围内。文章的研究成果在对基于软岩料填筑的面板堆石坝中有一定的指导意义和参考价值。

[1]中华人民共和国水利部.SL228-98混凝土面板堆石坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[2]蒋国澄,傅志安,凤家骥.混凝土面板坝工程[M].武汉:湖北科学技术出版社,1997：21-48.

[3]付军,周小文.面板坝软岩料的工程特性[J].长江科学院院报，2008，25(04)：67-72.

[4]中华人民共和国水利部.SL228-98混凝土面板堆石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2003.

[5]单宏伟.高面板堆石坝模型参数反演及应力变形分析[D].北京:清华大学,2008.

[6]罗先启，葛修润.混凝土面板堆石坝应力应变分析方法研究[M].北京：中国水利水电出版社，2007：15-39.

[7]顾淦臣,黄金明.混凝土面板堆石坝本构模型与应力变形分析[J].水力发电学报,1991(01):12-24.

[8]蒋国澄.中国混凝土面板堆石坝20年[M].北京:中国水利水电出版社,2005:542.

Analysis and Study on Slab Rock-fill Dam Stress Deformation based on Soft Rock Material Filling

HAO Ying-ze

(Heilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Engineering Limited Company, Harbin 150080, China)

With gradual ripeness of domestic and foreign damming technology for slab rock fill dam,variability facing to all kinds of complex geological conditions and damming materials is developed constantly. At present, the damming technology of soft rock material also turns to mature constantly and becomes material selected for more dam types. China is vast in territory with many seismic zones, which causes many dams to be constructed in high incidence area of strong earthquake, therefore, the earthquake resistance section is vital important in control design of facing rock fill dam based on soft rock material filling. In this paper, three-dimensional finite elements were adopted, in combination with the static force calculation model of slab rock-fill damming material, the three-dimensional finite element was analyzed for slab rock-fill dam with soft rock material filling based on actual hydraulic key project, and the conclusion was compared with observed project data to verify the feasibility of valuable simulation analysis, meanwhile, the results calculated and achievements is very meaningful for the control design of similar projects.

filling of soft rock material;slab rock-fill dam; stress deformation

1007-7596(2017)05-0027-05

2017-04-12

郝英泽(1987-)，男，黑龙江甘南人，助理工程师。

TV421

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