(浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州 310002)
方溪水庫防滲墻厚度敏感性分析
洪桂標,韓 峰,來妙法
(浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州 310002)
混凝土面板堆石壩防滲墻厚度的確定,是設計人員需要考慮的問題。采用ABAQUS軟件,以方溪水庫為例,分析不同防滲墻厚度對面板、周邊縫及連接縫的影響。計算結(jié)果表明,堆石壩體、面板及周邊縫應力與變形對防滲墻厚度變化敏感性較低;趾板與連接板接縫、防滲墻與連接板接縫法向變形與防滲墻厚度無直接關(guān)系,切向變形與防滲墻厚度呈正相關(guān)。
深厚覆蓋層;混凝土防滲墻;敏感性分析;E - B模型
自20世紀80年代以來,混凝土面板堆石壩以其經(jīng)濟性、安全性以及良好的適應性等優(yōu)勢逐漸成為我國水利水電建設中的主要壩型之一。目前,我國已建、在建或擬建的混凝土面板堆石壩已超過300座。
混凝土面板堆石壩地基覆蓋層處理方式有:①清基;②趾板清基,壩體建于砂礫石層上;③趾板、壩體都建于砂礫石上,采用混凝土防滲墻形成封閉的防滲體系[1]。
方溪水庫混凝土面板堆石壩地基為深厚覆蓋層上,覆蓋層為砂礫卵石,采用混凝土防滲墻處理地基滲流。防滲墻與趾板采用柔性連接,即防滲墻與趾板采用連接板連接,趾板與面板連接,接縫處設置止水,從而形成完整的防滲系統(tǒng)[2-3]。
目前,面板堆石壩設計仍主要建立在工程經(jīng)驗的基礎上,對于防滲墻厚度變形特性對面板堆石壩工作性態(tài)的影響規(guī)律仍缺乏全面系統(tǒng)的認識。為此,結(jié)合方溪水庫面板堆石壩,開展深厚覆蓋層上混凝土防滲墻厚度的敏感性分析,目的在于揭示防滲墻厚度對面板堆石壩工作性態(tài)的影響規(guī)律,為后續(xù)類似工程設計提供技術(shù)參考。
方溪水庫工程主要由混凝土面板堆石壩、岸邊溢洪道、發(fā)電引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等組成。水庫正常蓄水位112.00 m,汛限水位109.00 m,設計洪水位116.95 m,校核洪水位117.83 m。
混凝土面板堆石壩壩頂高程121.00 m,防浪墻頂高程122.20 m,壩基趾板底高程43.00 m,最大壩高78.00 m。壩頂寬度8.00 m,壩軸線長358.50 m,上游壩坡1:1.5,下游1:1.4。上游面117.00 m以上設C30W6F50鋼筋混凝土L型直立式擋墻,高5.20 m,大壩基礎為深厚砂礫石覆蓋層,厚約30.00 m。方溪水庫混凝土面板堆石壩標準剖面見圖1。
計算采用三維總應力有限元分析方法[4-5]。堆石料的應力應變關(guān)系采用鄧肯張E - B非線性彈性模型模擬,采用大型有限元軟件ABAQUS進行計算。
1970年,Ducan和Chang在Kondner[6]1963年提出的應力—應變雙曲線假定基礎上提出雙曲線E - μ模型[7]。對于鄧肯(Duncan)的E - μ模型,土石料的切線模量Et為:
式中:σ1和σ3為最大,最小主應力,kPa;Pa為大氣壓力,取值98 kPa;c和φ為強應指標,單位分別為kPa,°;K、n分別為彈性模量系數(shù)與指數(shù);Rf為破壞比,表達式為:
式中:(σ1- σ3)ult指當應變?yōu)闊o限大時主應力差(σ1- σ3)的極限值,kPa;(σ1- σ3)f是土石料的強度,kPa;采用摩爾庫侖準則確定,表達式為:
式中:c為土石料的內(nèi)摩擦角,°;、φ為土石頭料的凝聚力,N。但對于堆石料,為了考慮φ隨圍壓σ3的變化,采用φ0、Δφ模式:Sl為應力水平,反映材料強度的發(fā)揮程度,表達式為:
圖1 方溪水庫混凝土面板堆石壩標準剖面圖
卸荷模量Eur為:
式中:kur為卸荷模量系數(shù),kPa;按照通常的做法,取卸荷模量指數(shù)nur= n。
土石料的切線泊松比表達式:
式中:G、F、D為無量綱材料常數(shù)。對于鄧肯E - B模型,以體積變形模量Bt代替切線泊松比νt,表達式為:
其余參數(shù)參見E - μ模型。
面板、趾板和混凝土防滲墻采用線彈性模型;混凝土面板與墊層之間采用接觸面單元模擬;防滲墻側(cè)面及底部與覆蓋層間用泥皮單元與沉渣單元模擬;面板與趾板、趾板與連接板以及連接板及防滲墻接縫均采用接縫單元模擬。
各種筑壩材料參數(shù)采用大三軸試驗確定,參數(shù)見表1。
表1 方溪水庫堆石壩材料參數(shù)表
接觸單元參數(shù)通過試算的方法來確定,試算過程如下:先根據(jù)工程經(jīng)驗類比確定一個合理值進行第1次求解,然后用10倍于該值的參數(shù)進行第2次求解,以此類推。如果前后2次計算結(jié)果相差很小,而迭代次數(shù)增加很多,則曲線上突變值即為最優(yōu)的剛度選取值。
接觸單元、泥皮單元及沉渣單元計算參數(shù)見表2。接縫單元參數(shù)采用勁度關(guān)系式確定,限于篇幅文中不做展開?;炷两Y(jié)構(gòu)(面板、趾板、連接板及防滲墻等)采用線彈性本構(gòu)模型,依據(jù)設計資料,混凝土材料參數(shù)為容重γ = 24.5 kN/m3,彈性模量E = 30 GPa,泊松比μ = 0.167。
表2 方溪水庫接觸面單元、泥皮單元及沉渣單元計算參數(shù)表
計算工況考慮竣工期和蓄水期2種??⒐て冢簤误w填筑荷載+混凝土結(jié)構(gòu)自重。蓄水期:壩體填筑荷載+混凝土結(jié)構(gòu)自重+水壓力(上游水位為正常蓄水位112.00 m)。
計算中,假定壩體全斷面填筑施工,根據(jù)設計要求,采用分級加載模式模擬大壩的施工過程和水庫蓄水過程。壩體填筑共分23級,每級填筑高度約3.00 ~ 4.00 m;蓄水過程分為14級模擬,每級水位上升高度約為5.00 ~ 6.00 m。
為了研究防滲墻厚度對面板堆石壩應力變形的影響,計算結(jié)合地質(zhì)條件及工程經(jīng)驗,保持防滲墻設計方案厚度1.00 m不變,其余分別上、下浮動20%,分別建立0.80,1.00,1.20 m等3種防滲墻厚度條件下的非線性有限元計算模型。
模型自建基面向下、自壩踵向上游、自壩趾向下游方向分別取約1.5、1.0、2.0倍壩高。壩基側(cè)面及底面采用法向位移約束。
圖2給出了3種有限元模型中防滲墻、連接板及趾板網(wǎng)格圖。
圖2 方溪水庫防滲墻、連接板及趾板網(wǎng)格圖(防滲墻厚度0.80,1.00,1.20 m)
4.1 堆石體應力與變形
竣工期與蓄水至正常蓄水位時壩體最大斷面應力、變形計算結(jié)果見表3、4。
表3 壩體最大斷面應力表
表4 壩體最大斷面變形表
4.2 面板應力與變形
面板順坡向應力、撓度極值計算結(jié)果見表5。
4.3 防滲墻應力與變形
防滲墻應力、變形計算結(jié)果見表6、7。
表5 面板順坡向應力、撓度極值表
表6 防滲墻大小主應力極值表
4.4 接縫相對變形
壩體周邊縫、趾板與連接板接縫、防滲墻與連接板接縫相對變形計算結(jié)果見表8 ~ 10。
表8 壩體周邊縫相對變形表
表9 趾板與連接板接縫相對變形表
表10 防滲墻與連接板接縫相對變形表
計算結(jié)果表明:
防滲墻厚度變化對堆石體、面板應力與變形影響較小,浮動范圍基本在± 1%以內(nèi),且無明顯關(guān)系。
隨著防滲墻厚度增大,防滲墻大、小主應力及豎直向、水平向位移極值減??;防滲墻厚度減小,防滲墻大、小主應力及豎直向、水平向位移極值增大。防滲墻厚度與防滲墻大、小主應力及豎直向、水平向位移極值呈負相關(guān)。尤其是蓄水期時,防滲墻厚度上浮20.0%,防滲墻小主應力浮動- 30.7%,防滲墻厚度下浮20.0%,防滲墻小主應力浮動36.9%。表明蓄水期,防滲墻厚度變化對小主應力影響較大。
防滲墻厚度變化對壩體接縫相對變形影響較明顯,但無明顯規(guī)律。表明防滲墻厚度變化不是壩體接縫相對變形的主要影響因素,應通過其他計算進行研究。
(1)防滲墻厚度變化對堆石體、面板應力與變形影響較小。
與堆石體應力、變形成負相關(guān)關(guān)系,防滲墻厚度增大可有效減小堆石體大主應力,但減小幅度較小。
(2)防滲墻厚度變化與防滲墻大、小主應力及豎直向、水平向位移極值呈負相關(guān)關(guān)系。蓄水期時,防滲墻厚度增加能極大地降低小主應力及豎直向位移極值。
(3)防滲墻與壩體接縫無明顯關(guān)系,數(shù)據(jù)較離散,但是,接縫變形隨著防滲墻厚度變化較敏感,建議加強研究。
總體而言,對于深厚覆蓋層上的面板堆石壩,增大防滲墻厚度可在一定程度上改善堆石體、防滲墻自身的應力變形以及面板撓度極值。尤其是對防滲墻自身應力、變形改善較為明顯。深覆蓋層上的防滲墻工程,應適當加厚防滲墻厚度,可有效降低防滲墻應力極值,提高混凝土防滲墻使用壽命及工程效用。
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TV543
B
1008 - 701X(2017)02 - 0072 - 04
10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.020
2015-12-11
洪桂標(1985 - ),男,工程師,碩士,主要從事高堆石壩地震動響應分析工作。E - mail:hongguibiao@126.com