九甸峡混凝土面板堆石坝应力变形分析.pdf

九 甸 峡 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 应 力 变 形 分 析 徐泽平1，王志强2，吕生玺2 (1．中国水利水电科学研究院，北京100048； 2．甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州730000) 摘要：九甸峡水利枢纽工程混凝土面板堆石坝是目前国内建在深厚覆盖层上的最高断板坝．最大坝高133m 。坝 址D (岸坡陡峭，地形、地质条件复杂，大坝的应力应变状态对工程的安全和运行至关重要。大坝i 维有限元数值分 析研究表明，采用在深厚覆盖层中防渗墙截渗、平趾板柔性连接、覆盖层加固处理、软基平趾板的设计方案，坝体 沉降变形、面板应力及变形形态虽与趾板建于基岩上的混凝七面板坝有所差别，但其变形量及应力水平基本适中， 通过采取适肖的工程措施．可以保证大坝安全，达到节省工程投资、加快工程进度的目的。 关键词：面板堆石坝；堆石体；非线性有限元；应力变形；本构模型；九甸峡水利枢纽工程 St ressandDef orm at i onA nal ys i sofJi udianxi aConcr eteFaceRock彻D am X uZepin91，W angZhi qi angz，Lu Shengxi 2 (1．Chi naI nst i tut eofW aterR esour cesandHydropowerResearch，Beijing100048； 2．G ansuW aterC ons er vancyandH ydropow erInvest i gat i onandD esi gnInst i t ut e，LahzhouG ansu730000) A bst ract：The133m —hi ghJi udi anxi aD amiscurrent l yt hehi ghestCFR Ddambui l tondeepoverburdeninC hina．A st he com pl ext opographi candgeol ogi cal condi t i ons i ndamsit e．t hest ress-st rai nofdamisi m port antto proj ect securi t y．1he s tr essanddeform at i onoft}Iedamw a s anal yzedby t hree—di mensi onalfi niteel em entm ethod．Thecutof fwal li ndeep overburdenf orseepagecont r ol ，t hehori zontal pl int h andf lexibleconnect i onandt heoverburdenrei nforcem entw er edesigned f or t hedam ．Thesi m ul at i ons how sthatt hedamset t lem ent ．sl abs tr essandt hedamdeform at i onhavedi f fef encesw i t ht he C FRDdam sbui l tonbedrock，butt hedeform at i onands tr esscanbebasical l ycont rol l ed．Byadopt i ngappropri a t eengi neering ：． m easures，t hedamsaf ety cabbeens uredandt hei nvest m entandconst ruct i oncanbei m proved． K eyW or ds：face rockfi l ldam ；rockfi l l ；nonli nearfi niteel em ent ；st ressanddeform at i on；const i t uti vem odel ；Ji udi anxi aW at er Proj ect 中闰分类号：TV 314( 242) {穿献标识码：A文章编号：0559—9：342(2010) 11- 0067一04 九甸峡混凝土面板堆石坝坝址区河谷狭窄．两 岸岸坡极不对称，河床分布深厚砂砾卵石覆盖层， 并有一河床深槽贯穿整个坝址．深槽覆盖层最大厚 度达54～56In。为了满足河床深覆盖层的防渗要求， 设计采用了混凝土防渗墙垂直防渗的处理方案。该 设计方案中防渗墙与上部坝体防渗体( 面板) 的连 接是整个防渗体系的关键．也是大坝一地基整个防渗 系统最薄弱的环节。必须给予足够的重视。此外， 地基覆盖层、防渗墙与上部坝体的相互作用。即上 述各部分在自重和外荷作用下。能否满足变形协调 的要求，应力是否超限．也是影响大坝安全的重要 因素。本文重点围绕上述问题，通过对坝体和坝基 整体结构在不同工况下应力变形的数值分析，深入 研究了覆盖层上混凝上面板堆石坝的应力变形特性、 深覆盖层对仁部坝体变形的影响规律，以及坝体一面 板一趾板一连接板一防渗墙一覆盖层之间的静力相互 收稿日期：2010--09—13 作者简介：徐泽平( 196卜)，男，江苏南京人，教授级高工．博 士．主要从事岩土T程数值分析、软作开发、大型土丁离心模型试 验、堤防下程与病险水库的安全评估及防汛指挥决策支持系统的开 发等研究工作． W at e r Pow erV01．36N o．11囫 墨 盈 ‘ 工 遴l ：：：==： ：：：=：：： 作用性态。并对工程的结构形式进行了进一步论证。 1工程概况 九甸峡水利枢纽工程位于甘肃省卓尼、临潭两 县交界处。黄河支流洮河中游的几甸峡峡谷进口段， 距兰州市约193km 。是汁肃省引洮供水工程的龙头 水利枢纽。 枢纽工程水库正常蓄水位2202．00m ，校核洪 水位2205．11m ．相应水库总库容9．43亿m 3，电站 总装机容量为300M W 。 混凝土面板堆石坝按照I 级建筑物设计。最大 坝高133m ，坝顶长232I n。宽10m ，坝体上游坡 比为1：1．4。下游坡比为1：1．3、l ：1．4。上游设钢筋混 凝土“L”形挡墙。坝体填筑料区自上游向下游依次 为垫层区、过渡层、主堆石区、可利用区；垫层区 水平宽为4ITI。过渡层水平宽5In，面板厚度变化 从上至下为0．3～0．65m ；岸坡趾板宽6m ，河床平 趾板置于覆盖层上，宽6rl l ，通过4m 宽的连接板 与上游防渗墙柔性连接。坝长与坝高比例为1．74。 属狭窄河谷面板堆石坝，特别是坝址左岸岸坡近于 直立．对大坝的应力变形有较大影响。 2计算模型 fAo-,1f 3B+E 3B —E0 1f△B 1 I△q5=万 面3B 3肛E3B托o l卜I 【△％J 【00 E△’■J 量；△以为Y方向应力增量；△占，为y方向应变增量； 反承 只(号巾一笔篙酱】。 B=K心(争) 耻鲐只f争) 圆形疵rPower V 01．36N o．11 式中，矿I 和0"3为最大、最小主应力；只为大气压 力；c和咖为强度指标；R ，为破坏比；K 为弹性模 量数：n为弹性模量指数：瓯为体积模量数；m 为 体积模量指数；K 。为卸荷弹性模量数。 2．2接触面及连接缝的模拟 在面板堆石坝结构中．涉及到刚性的混凝土面 板与散粒体堆石之间的相互作用面，以及面板纵缝、 周边缝等接缝系统．在面板堆石坝的数值计算分析 中．对坝体及坝基结构中各类不同材料的接触面 (包括面板与垫层、趾板与地基、连接板与地基、防 渗墙与地基等) 进行有效的处理是计算的关键。由 于接触面两侧材料性质相差悬殊。在外力作用下， 通常都会表现出与连续体不同的剪切滑移、脱开分 离等特殊的变形特征．因此，在计算分析中需要采 用特殊的单元加以模拟，以可准确、真实地反映坝 体各部位相互作用的特性。 从实际工程的观测和试验室的试验中均可发现， 在两种材料性质相差悬殊的介质之间．一般都会在 材料性质相对较弱的一面形成一个薄层的剪切带， 因此。采用薄层接触面单元来模拟不同材料之间的 接触情况可能会更接近实际。因此，在本文的计算 分析中，对面板与挚层、趾板与地基、连接板与地 基、防渗墙与地基之间的接触面均采用薄层单元模 拟。计算程序中薄层单元的形式与常规的实体单元 相同，对于面板与垫层之间的接触面，薄层单元取 垫层材料的力学特性．趾板与地基以及连接板与地 基之间的接触面。薄层单元取地基砂砾石材料的力 学特性．而对于地基中混凝防渗墙与周边砂砾石 层的接触面，考虑到防渗墙造孔时冈采用泥浆同 壁。在墙壁周围会形成一层泥皮．薄层单元应取泥 皮的力学特性。在正常受力情况下。薄层单元在计 算过程中按普通实体单元参与计算．但接触面之间 的剪应力超出抗剪强度后，则采用降低模量的方式 进行剪切破坏处理：当接触面之间的法向正应力为 零或为负值时．程序中I 司样也要进行受托破坏的 处理。 对于薄层接触面单元．接触面上的变形可以分 为基本变形和破坏变形两部分。在正常受力情况下。 单元产生基本变形{87}，其材料的本构关系与垫层 料一致，薄层单元在计算过程中按普通实体单元参 与计算。当剪应力达到抗剪强度产生了沿接触面的 滑动破坏或接触面受拉产生了拉裂破坏时．单元产 生破坏变形( ∥l，破坏变形采用刚塑性假定。即假 定接触面单元破坏前，接触面上无相对位移．当接触 面发生张裂和剪切变形时。则相对位移将不断发展。 对于接触面上的破坏变形{胡，可以用下式表示 三：：!翌：：竺竺：==：!二!：竺兰竺兰竺竺竺三 竺竺：：兰竺：竺E二i：：：圆 △87 △87 △8。? 0O0 0导0 乜 00 而1 L， 褂阿坳， 式中．F’和G”分别为反映拉裂破坏变形和滑动破坏 变形的模量参数。平行于接触面方向仁的正应变由 于受到混凝土的约束不会发生破坏，因此可取△B，，_ 0，对应It ]”矩阵中的相应元素取为0。 接触面的总变形为基本变形和破坏变形的叠加 {△占}={△占’}+{△占1={C’}{△盯l +{G 1{△盯1-{Cl {△口l 对于面板之l ’日J的接缝，采用在分缝处设置双节 点的分离缝单元模拟，缝单元采用元厚度形式。当 接缝呈受拉趋势时，缝节点分离。两缝节点各自随 垂直缝两边的面板单元位移：当接缝受压时。缝节 点重合。对于趾板与面板之间的周边缝。以及防渗 墙与连接板、连接板与连接板、连接板与趾板、趾 板与面板之间的接缝，则采用软单元进行模拟。即 在面板单元与趾板单元之间设置一个薄层软单元． 当单元受压时。此软单元特性为混凝土材料的力学 特性：当接缝受拉或受剪时，软单元特性则为较低 模量的柔性材料特性。 3计算及结果分析分析 3．1计算分析及参数选择 计算分析模拟大如!的实际施工过程，计算坝体 内的应力、应变和位移。采用增懂法，每个增量步 可以是坝体的一个填筑层．在每一荷载步巾进行两 步迭代计算。第一步采用的模营根据增蕈开始时的 应力状态算出，第二步则根据本增量步的平均应力 状态计算。坝体最终的麻力、变形为每一荷载步所 引起的应力、应变和位移的迭加值。 计算分析中。沿坝轴线将整个坝体分成25个横 断面，各横断面的位置与面板的垂直缝一致。计算 中坝体填筑荷载的施加步骤与施工设计的填筑步骤 相一致。坝体的填筑荷载分16步施加．面板一次浇 筑完成，水库蓄水过程分为5步逐级蓄至正常蓄水 位。整个计算分析模型共剖分3708个单元．4766 个节点。在计算分析过程中，面板之间的纵缝采用 分离缝的方法处理，面板与趾板『甘J 的周边缝采用软 单元模拟。 坝体土石材料的参数取自窜内大型i 轴试验的成 果，计算分析中各材料的参数具体取值如表l 所示。 3．2计算结果分析 大坝三维计算分析的主要结果为：①坝体。竣 工期及蓄水期最大垂直位移均为134cm ；竣丁期最 大水平位移向上游及向下游分别为30．7、29．7cm， 蓄水期分别为26．0、30．5cm ：竣工期最大最小主应 力最大值分别为2．67、0．70I垤Pa，蓄水期分别为 3．55、0．88M Pa。②面板。蓄水期防渗墙最大挠度 为21．1cm；顺坡向最大拉、压应力分别为2．O 、4．8 M Pa：坝轴向最大拉、压应力分别为2．1、9．9M Pa。 ③防渗墙。竣1：期向上游最大位移为1．0em ；蓄水 期向下游最大位移为11．6cm 。④垂直缝。蓄水期最 大张拉位移为5．0cm 。⑤周边缝。蓄水期最大张拉 位移为12．0cm ．最大沉降位移为29．5cm ，最大剪 切位移为8．0cm。一 位移和应力典型分布见图1～5。 从计算成果可以看出： ( 1) 在目前的坝体断面设计方案和现行的计算 参数情况下．三维计算分析所得的蓄水期坝体最大 沉降约为1．3m ，坝体大、小主应力的最大值分别为 3M Pa和lM Pa左右，面板的最大挠度约为20cm 。 防渗墙的位移约为11～25cm ，膳底力约为15M Pa。 从应力变形分析的角度看．这样的数值均在合理范 围之内。从如!体的位移看，坝体的沉降位移在深槽段 表1材料的邓肯一张模型(E—B)参数 材料名称 ∥1．m ～ K K 。 nRr 足b m 似。)△西／(。) 主堆石料2．20l4002800o．530． 798l0000．0050．98．5 次堆石料2．16 l12022400．530． 7988000．0050．98．5 过渡料2．25l50030000．55 0． 907 l250 0．0054．I10．5 垫层料2．28l75035000．430． 768l200 0．4158．114．5 面板2．40300 000300 000 ～ 一 200000—45。0 一 沉渣1．60800 l2000．500．8714000．3036．01．7 覆盖层2．09700 l400 0．3l0． 798210 0．2846．45．8 防渗墙2．40260 000260 000 一一 173000 — 45．O 一 趾板，连接板 2．40300000300 000 一一 200000 —45．0 一 基岩2．40200000200 0000．000．001750000．0045．00．0 W at erPow erV01．36N o．1l 墨叠 Eii：=‘ 幽竺：竺三：：：：=：：： 暑 ＼ 罄 坦 目 ＼ 醛 袒 g ＼ 墩 培 圈1 蓄水期防渗墙一连接板一趾板位移 圈2蓄水期面板法向位移分布( 单位：M Pa) 图3蓄水期面板沿坝坡方向应力分布(单位：M Pa) 图4剖面蓄水期竖向位移( 单位：m ) 圈5剖面蓄水期水平位移( 单位：m ) 偏向坝体底部，其原因主要是深槽段坝基覆盖层的材 皿W at erPower V oL36No．11 料参数相对较弱。但总体而言。坝体沉降量不大。 ( 2) 从坝体的应力和变形分布上看，坝体整体 的应力和变形分布与其他面板堆石坝工程基本类似， 数值均在合理范围内。 ( 3) 在水库蓄水情况下，面板大部分区域呈双 向受压应力状态。沿坝轴线方向，河床坝段的面板 主要承受压应力。两岸坡处的面板存在拉应力区。 相对而言．右岸坡面板的拉应力区略大。沿坝坡方 向面板也主要承受压应力。但在两岸坡的坝肩局部 区域也有拉应力区。 ( 4) 由于九甸峡河谷深槽段较窄，岸坡对防渗 墙的约束作用明显，因此．从竣工期防渗墙的变形 来看，墙体向上游侧的变形并不大．但蓄水以后在 水荷载的作用下。墙体向下游变形。 4结论 九甸峡混凝土面板堆石坝的坝址具有高地震烈 度、高陡岸坡、深厚河床覆盖层等不利地形、地质 条件组合，类似的建坝条件在国内外较为少见。从 数值计算分析的结果可以看出，对于深覆盖层上的 面板堆石坝，坝基覆盖层的力学特性将对上部坝体 的应力和变形特性有明显影响，同时，坝基防渗墙 的应力和变形也与覆盖层土体的性质直接相关。由 于河床中间深槽的存在，将造成面板底部的不均匀 变形，并由此影响到面板应力的大小和分布。因此， 在深槽与河床底部的交界处应采取一定的工程措施， 以减小面板和趾板的不均匀变形。或在趾板中适当 分缝以适应地基的不均匀变形。 计算分析研究表明，对于九甸峡混凝土面板堆 石坝工程，采用在深厚覆盖层中防渗墙截渗、平趾 板柔性连接、覆盖层加固处理、软基平趾板的设计 方案，坝体沉降变形、面板应力及变形形态虽与趾 板建于基岩上的混凝土面板坝有所差别。但其变形 量及应力水平基本适中。通过采取适当的工程措施． 可以保证大坝的安全，达到节省工程投资、加快工 程进度的目的。 参考文献： [1]钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算[M ] ．北京：中国水利电力出版 社。1996． [2]卓家寿．弹性力学中的广义变分原理[M 】．南京：河海大学出版社． 1991． [3]顾淦臣，黄金明．混凝土面板堆石坝的堆石本构模璎与应力变 形分析[J]．河海大学学报．1995，10(2) ：123—127． E4]郭兴文．混凝土面板堆石坝数值分析与接缝止水试验研究[D]． 南京：河海大学．1996． (责任编辑焦雪梅)