苗家坝混凝土面板堆石坝三维应力变形分析.pdf

水利水电技术第 4 5卷2 0 1 4年第 1期 苗家坝混凝土面板堆石坝三维应力变形分析 孙超伟 ，柴军瑞 ，陈兴周 ，陈 演 ( 1 ．西安理I - 大学 陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室，陕西 西安7 1 0 0 4 8 ； 2 ．三峡大学 水利环境学院，湖北 宜 昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要：基 于邓肯一张 E—B模型，考虑坝体填筑施工和蓄水过程，并基于大型有 限元软件 A D I N A 平台，将三维子模型法应用于苗家坝面板堆石坝应力变形计算，并与监测资料和类似工程的计算 结果作了对比分析。结果表明：子模型法能够大大减少网格数量，提 高计算效率，面板及接缝的 计算精度也有 了提 高；坝体最大沉降值 约 占坝高的 1 ． 1 ％ ，且沉降在竣工期 已经基本完成 ；水库蓄 水后 ，面板拉应 力主要 集中在 面板与周边山体连接 处，且 最大拉 应力均未超过 2 MP a ，建议通过增 加面板 的配筋 ，铺设粉煤灰或者细沙作 为保 护层来改善 面板应力特性。周边缝 变形 最大值均 未超 过 2 0 mm，止 水 结构 不会 因周 边缝 的 变形过 大而破 坏 。 关键词 ：苗家坝混凝土面板堆石坝；覆盖层 ；邓肯一 张 E—B模型 ；子模型法；应力变形 中图分类号：T V 6 4 1 ． 4 3 ( 2 4 2 ) 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 0 ． 0 8 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 1 — 0 0 5 6 — 0 4 3 - D s t r e s s - d e f o r ma t i o n a n a l y s i s o n Mi a o j i a b a C o n c r e t e F a c e Ro c k r d l D a m S U N C h a o we i ，C HAI J u n r u i ，CHE N Xi n g z h o u ，C HEN Ya n ( 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f E c o — H y d r a u l i c E n g i n e e ri n g i n S h a a n x i ，X i ’ a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，X i ’ a n 7 1 0 0 4 8 ，S h a a n x i ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g e o f C i v i l a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e ri n g ，T h r e e G o r g e s U n i v e rs i t y ，Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ，H u b e i ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n Du n c a n — C h a n g E- B mo d e l and AD I NA。t h e 3 D s u b — mo d e l me t h o d i s a p p l i e d t o t h e c a l c u l a t i o n o n t h e s t r e s s — d e f o r ma t i o n o f t h e Mi a o j i a b a C o n c r e t e F a c e Ro c k f i 1 1 Da m u n d e r t h e c o n s i d e r a t i o n o f t h e d a m fi l 1 ． c o n s t r u c t i o n a n d t h e p r o c e s s o f t h e r e s e r v o i r i mp o u n d me n t ，a n d t h e n t h e c alc u l a t i o n r e s u hs a r e c o mp a r e d wi t h t h e mo n i t o ri n g d a t a a n d t h e c alc u l a t e d r e s u l t s f r o m t h e o t h e r s i mi l a r p r o j e c t s ．T h e r e s u h s h o w s t h a t t h e s u b - m ode l m e t h o d c a n l a r g e l y r e d u c e t h e q u a n t i t y o f t h e c alc u l a t i o n g d s and e n h a n c e t h e c a l c u l a t i o n e ff i c i e n c y ． Mo r e o v e r ，t h e e a l c u l a t i o n a c c u r a c i e s o f b o t h t h e f a c e ． s l a b a n d t h e i o i n t are i n c r e a s e d o n a c e r t a i n S C ale a s w e l 1 ．T h e c al c u l a t i o n i n d i c a t e s t h a t t h e ma x i m u m s e t fl e m e n t o f t h e b ody o f M i a o j i a b a C o n c r e t e F a c e R o c k fi 1 1 D a m i s a b o u t 1 ． 1 ％ o f t h e d a m h e i g h t a n d almo s t e n d s d u ri n g t h e c o mp l e t e p e ri o d ．A f t e r t h e i mp o u n d me n t o f t h e r e s e r v o i r ．t h e t e n s i l e s t r e s s o f s l ab f a c e i s ma i n l y c o n c e n t r a t e d a t t h e j o i n t b e t we e n t h e f a c e s l ab and the s u r r o u n d i n g mo u n t a i n wi t h t h e maxi mu m v alu e l e s s t h a n 2 MP a ． I t i s s u g g e s t e d t h a t the s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f f a c e s l a b c a n b e i mp r o v e d b y i n c r e a s i n g r e i n f o r c e me n t s a n d p l a — c i n g fl y a s h o r fi n e s a n d a s a p r o t e c t i o n l a y e r ． Ke y w o r d s ： Mi a o j i a b a C o n c r e t e F a c e R o c k f i ll D a m； o v e r b u r d e n ； D u n c a n — C h ang E - B m o d e l ； s u b — m o d e l m e t h od； s t r e s s — d e f o r m a t i o n 1 工程概述 苗家坝水电站位于 白龙江下游甘肃省文县境 内， 坝址地处高山峡谷地 区，河谷呈 “ V” 形 ，山势陡峻。 河床覆盖层厚度 4 4～ 4 8 m，其中表部水库淤积层厚 约 2— 4 i n ，上部含碎石块石砂卵砾石层厚 6～ 2 0 in， 中部砂卵砾石层厚 l 2—1 5 in，是河床覆盖层的主体 层 ；底部含块碎石的砂卵砾石层厚 5—1 0 in。 收稿 日期 基金项 目 作者简介 ： 2 0 1 3— 0 3 一 O 5 陕西省重点科技创新 团队( 2 0 1 3 K C T 一 0 1 5 ) ；陕西省 自然 科 学基金 项 目( 2 0 1 3 J Q 7 0 1 0) ；中 国博 士 后科 学 基 金 ( 2 0 1 3 M 5 4 O 7 6 5 ) 。 孙超伟( 1 9 8 9 一) ， 男，硕士研究生。 Wa te rRe s o u r c e s a n dHy d r o po w e rEn g i n e e ri n g V o 1． 4 5 No ． 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 坝体堆石材料计算参 数 孙超伟， 等∥苗家坝混凝土面板堆石坝三维应力变形分析 容重 摩擦角／( 。 ) 破坏 比 切线模量 切线模量 体 积模量 体积模量 卸荷切线模量 材料 ／ k N m一 △ 西 R ， 系数 k 指数 n 系数 k 6 系数 m 系数 k 击 主堆石 2 2 ． 5 O 5 1 ． 3 1 9 ． 7 0 ． 7 3 3 1 0 1 6 O ． 2 2 1 2 0 1 —0 ． 1 O 2 5 4 0 次堆石 2 2 ． 5 5 5 2 ． 2 8 1 1 ． 2 6 0 ． 7 0 5 7 5 0 O ． 3 3 7 8 1 —O ． O 3 l 8 7 5 过渡层 2 2 ． 7 0 5 1 ． 5 6 9 ． 9 2 0 ． 7 3 7 1 1 l 9 0 ． 3 5 1 3 5 0 —0 ． 1 7 2 7 9 7 垫层 2 2 ． 8 0 5 2 ． 8 3 l 1 ． 4 2 0 ． 7 0 1 8 0 0 0 ． 5 2 2 0 6 2 0 ． 0 1 4 5 0 0 上覆 盖层 2 O ． 5 0 3 8 ． O O 5 ． O O ． 6 5 6 0 0 0 ． 5 O 9 0 0 0 ． 1 O 1 5 0 0 中覆 盖层 2 1 ． 0 0 4 0 5 ． 0 0 ． 7 0 6 5 0 O ． 5 O 6 0 0 0 ． 1 O 1 3 5 0 下覆 盖层 2 1 ． 5 0 4 3 7 ． 0 O ． 7 5 7 2 0 O ． 5 O 5 5 0 0 ． 1 3 1 2 0 0 苗 家 坝水 电站混 凝 土 面板 堆石 坝 坝 顶长 度 为 3 4 8 ． 2 0 m，坝顶宽度为 1 0 ． 0 13 1 ，最大坝高 1 1 1 m，上 游坡 1 ： 1 ． 4，下游局部坡度 1： 1 ． 3 5和 1： 1 ． 4，下游 综合坡 比 1 ： 1 ． 5 5，坝顶设有高度为 5 ． 2 m的 L型防 浪墙与面板相接 ，坝顶高程 8 0 5 ． 0 m。 2 计算模型 建立大坝整体有 限元模型 ，坝体有限元网格如图 1所示 ：三维 网格剖分时主要采用八节点六面体单元 和少数的六节点三棱柱过渡单元。单元总数共 1 2 8 6 0 个 ，节点总数 9 4 5 8个。依据三维子模型法 ，建立 的 面板及接缝有限元子模型如图 2所示 ，子模 型单元总 数共 1 9 5 8 7个 ，节点总数 1 7 5 6 3个。 该计算 分析采用 的本构模 型 ：混凝 土面板 、趾 板 、基岩采用线弹性模型；筑坝材料 以及覆盖层采用 邓肯一张 E—B模型 ；堆石体与混凝土面板之间的接 触面采用有厚度 的接触面单元来模拟 ；混凝土面板 间 垂直缝 、周边缝均采用连接单元模拟 。 3 计算参数 苗家坝面板堆石坝三维有限元计算参数见表 1 。 接触 面单元 计算 参 数采 用 ：k =4 8 0 0 ，n = 0 ． 5 8， ， = 0 ． 7 4，6=3 6 。 。依 据 试 验 结 果 ，面板 、趾 板 、 连接板混凝 土计算参数采用 ：容重 2 4 ． 5 k N ／ m ，泊 松 比0 ． 1 7 ，混凝土弹性模量 2 8 G P a 。基岩计算参数 采用 ：容重 2 6 ． 0 k N ／ m ，弹性模量 2 0 G P a ，泊松 比 0 ．2 0。 4 计算工况 计算时 ，共分 3 0级模拟坝体填筑 、面板浇筑及 水库分期蓄水过程。其 中，前 1 1 级模拟大坝填筑 至 高程 7 3 5 m；第 l 2级模 拟一期面板浇筑至顶部高程 7 3 0 m；第 1 3—1 9级模 拟二期大坝填筑至坝顶高 程 8 0 5 m；第 2 0级模拟二期面板浇筑至二期面板顶部高 程 8 0 1 m；第 2 1～3 0级模 拟水库蓄水至正常蓄水 位 8 0 1 1 12 。根据上述加载过程 ，拟定计算 工况如下 ：工 况一( 竣 工期 ) ，荷载 为 白重，坝体上 、下游无 水 ， 模拟计算大坝竣 工期应力 变形 ；工况二 ( 蓄 水期 ) ， 荷载 为 自重 和静 水 压力 ，上 游水 位 为正 常 蓄水 位 8 0 1 m，下游 无水 ，模拟 计算上 游从无 水到 蓄水至 正常蓄水位过程 中的大坝应力变形。 5 结果分析 5 ． 1 坝体的变形和应力 河床坝段横河 向最大剖面在施工期和蓄水期 的位 移和应力极值计算结果如表 2所列 ，其 中应力取值以 拉为正 ，以压为负。 计算结果表 明，竣工期坝体 的最大垂直位移 为 1 ． 1 m，约占坝高的 1 ． 0 4 ％，其位置处于坝体主 、次 堆石区交界的中下部。而其水平位移在竣工期基本呈 对称分布，上游发 生指 向上 游 的变位 ，下游发 生指 向下游 的变 位 ，且 上 、下游 最 大 水 平 变 位分 别 为 图 1 坝体 和面板子模型有 限元 网格 水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第 1期 1 8 ． 5 9 a m 和 1 7 ． 3 9 e m。蓄 水 后 ，坝体横 断面 上位 移 分 布 的 变化较为明显 ，坝体上游区指向 上游的水平位移减小 8 ． 2 e m，指 向下游的水平位移增加 7 ． 6 3 a m； 水库蓄水后在水荷载作用下，坝 体的沉降有所增加，但沉降分布 规律相对于竣工期变化不大。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 孙超伟， 等∥苗家坝混凝土面板堆石坝三维应力变形分析 表 2 堆石体位移和应力极值 水平向下游 水 平向上游 垂直沉降 最大主应 最小主应 工况 位移／ c m 位移／ c m 力／ MP a 力／ MP a 竣工期 1 8 ． 5 9 l 7 ． 3 9 1 0 9 ． 3 O 一2 ． O 6 —0 ． 7 3 蓄水期 2 6 ． 2 2 9 ． 1 9 1 1 1 ． 2 O —3 ． 0 3 —0 ． 8 2 竣工期坝体和坝基应力大小基本 上按 其上覆 土 柱高度的 比例分布 ，竣 工期 和蓄水期坝体和坝基 的 最大 、最小 主应力均位于坝 中线 的坝体底部 ，竣工 期坝基底 部的大 主应力 最大 值为 2 ． 0 6 MP a ，小 主 应力最大值为 0 ． 7 3 M P a 。蓄水后，坝体 的大、小 主应力 有 所增 加 ，但 无 剪切 破坏 区 ，应力 水平 为 0 ． 5 1 。但 蓄水作用 对 坝体 大 、小 主 应 力分 布 影 响 较大 。 5 ． 2面板变形和应力 对面板子模型进行三维有限元计算 ，面板蓄水期 变形如图 2～图 6所示 。应力取值 以拉为正，以压 为 负。 图2 蓄水期面板挠度( 单位：c m) 图3 蓄水期面板顺坡向位移( 单位：c m) 蓄水期在水压力 和坝体 自重荷载作用 下 ，面板 变形 、应力分布基本呈现 出沿其 中心轴线左 右岸对 称分布 ，其 中面板最大挠 度为 1 9 ． 3 c m，位于河 床 中央面板 的中下部位 ，向两岸挠度逐渐 减小。顺坡 图4 蓄水期面板轴向位移( 单位：c m) 图 5 蓄水期面板顺坡 向应 力( 单位 ：MP a ) 图6 蓄水期面板坝轴向应力( 单位：MP a ) 向变形最大值 为 6 ． 0 c m，最大值位于面板约 1 ／ 3坝 高部位；坝轴向位移基本左右岸对称分布，最大值出 现在靠近左右岸的面板 中下部位 ，其值为 3 ． 1 c m。 蓄水期面板顺坡向应力 以压应力为主，最大压应 力为5 ． 1 M P a ，其位于面板中部，靠近两岸岸坡部位 出现局部拉应力区 ，其最大拉应力为 1 ． 5 2 M P a ；面 板沿坝轴 向压应力最大值 出现在 面板 中部 ，其值为 6 ． 1 MP a ，在 与两岸 的交接 部位 局部也 出现 了拉 应 力 ，最大值为 1 ． 2 8 MP a 。 5 ． 3接 缝的 变形 蓄水期面板垂直缝和周边缝极值如表 3所列。水 水利水电技术第4 5卷2 O 1 4年第 1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 库蓄水后 ，面板垂直缝 的变形数值不大 ，一般均在毫 米量级 ，垂直缝位移分布基本沿面板中心轴线方 向对 称 ，其中坝轴 向张合变形最大值出现在左岸面板底部 边缘处 ，为 1 6 ． 0 3 mm，为张开变形 ；垂 直面板 向沉 陷变形最大值为 9 ． 3 4 mm，位于面板左岸底缘处 ；顺 坡向最大值出现在面板左侧底部 ，为 9 ． 8 6 m m。在水 压力作用下 ，周边缝顺面板剪切变形有随面板高程的 降低有先增再减再增的趋势，最大值出现在面板左岸 底部 ，为 1 1 ． 5 1 mm；而坝轴 向张合变形主要表现为 张开变形 ，最大值 为 1 8 ． 9 3 m m，位于面板右岸一半 高程处 ；垂直 面板 向沉陷最大值 出现在面板左岸底 部 ，为 1 8 ． 4 3 m m。 表 3 蓄水期面 板接 缝变形极值 接缝 方 向 变形值 接缝 方 向 变形值 名称 名称 ／ m m 顺 面板 向剪切 9 ． 8 6 顺面板 向剪切 1 1 ． 5 1 垂直缝 垂直 面板 向沉 陷 9 ． 3 4 周边缝 垂直 面板 向沉降 1 8 ． 4 3 坝轴 向张合 1 6 ． O 3 坝轴 向张合 1 8 ． 9 3 5 ． 4 结果合理性验证及与类似工程比较 国内已建在覆盖层上的面板坝实测或计算的变形 值如表 4所列 ，通过比较可以看 出本文计算值符合通 常规律 ，计算结果合理。 表 4 同类面板堆石 坝沉降及 接缝变形极值 坝名 l 潞／era 说 明 察 汗 乌 苏 l 107．6 l 46．7 l 82．6 I 18．2 l 19．3 I 20．0 l监 测 值 l l ：： l 4。42．． 1 2 ．． 1 l 1 2． l ；： l 蒌 墨 九 甸 峡 l 1 l 1 3 3 l 5 6 ． 0 l 1 3 4 1 2 ． 0 I 2 9 ． 5 I 8 ． 0 l 计 算 值 茎 ： j 兰 l L i I茎 I三 l兰 I兰 6 结论和建议 本文对坝体进行的三维有 限元分析，通过分析可 以得 出以下结论 ： ( 1 ) 基于大型 A D I N A有 限元软件平 台 ，将 三维 子模型法应用于苗家坝面板堆石坝面板应力变形 的有 限元计算中，相 比于整体建模方法大大减少 了堆石坝 体的网格数 量而面板可 以采取更加 精细 的网格来 剖 分 ，从而显著 提高 了计算效 率 ；通过 结果合理性验 证 ，计算结果与实测结果相差不多。 ( 2 ) 水库 蓄水后 坝体最 大沉降值约 占坝高 的 水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第 1期 孙超伟， 等∥苗家坝混凝土面板堆石坝三维应力变形分析 1 ． 1 ％ ，且沉降在 竣工 期 已经基 本完 成 ，与 国 内 已 建在覆盖层上的类似工程相 比，结果在合理 的沉 降 范围内。而且坝体应力极值及应力水平均在规 范要 求的范围之 内。对于以后建在覆盖层上 的面板堆 石 坝 ，建议可 以在坝体填筑完成后尽可能地多放 置一 段时间 ，等坝体堆石完成一部分沉 降变形后再 进行 面板的施工 ，从而保证坝体与坝基主要沉降在面板 施工前 完 成 ，避免 面 板与 堆石 体 的变 形 不协 调 问 题 。 ( 3 ) 水库蓄水后 ，面板大部分区域处于双向受压 状态 ，面板拉应 力主要集 中在面板 与周 边山体连接 处 ，且最大拉应力均未超过 2 MP a ，因此覆盖层上建 面板堆石坝，宜适当增加面板 的配筋 ，改善混凝土的 性能 ；也可以采取铺设粉煤灰或者细砂保护层的工程 措施。 ( 4 ) 面板接缝缝变形最大值均未超过 2 0 m m，在 止水的最大变形范围以内，选择能适应大变形的止水 结构和止水材料，覆盖层上混凝土面板堆石坝的防渗 体系的安全性是有保障的。 参考文献： [ 1 ] 孙大伟 ，邓海峰 ，田斌 ，等 ．大河水 电站深覆盖层上面板堆石 坝变形和应 力 性状 分析 [ J ] ．岩 土工 程学 报 ，2 0 0 8，3 0( 3 ) ： 43 5 — 4 3 9 ． [ 2 ] 徐泽平 ．混凝 土面板 堆石 坝应力变形特 性研究 [ M] ．郑 州 ： 黄 河水利 出版社 ，2 0 0 5 ． [ 3 ] 胡再强 ，李宏儒 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