九甸峡混凝土面板堆石坝应力和变形有限元分析.pdf

第 8 卷第 3 期 2 0 1 0年 6 月 南水北调与水利科技 S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e T e c h n o l o g y Vo 1 8 No 3 J u n 2 0 1 0 6 o i ： 1 0 3 7 2 4 S P J 1 2 0 1 2 0 1 0 0 3 1 1 7 九甸 峡混凝土面板 堆石 坝应 力和变形有 限元分析 吕生 玺 ( 1 河海大学水利水电学院， 南京 2 1 0 0 9 8 ； 2 甘肃省水利水电勘测设计研究院， 兰州 7 3 0 0 0 0 ) 摘要： 采用非线性有限元方法， 对修建在深厚覆盖层上的九甸峡混凝土面板堆石坝进行了深人研究， 得到了大坝坝体 应力应变 、 混凝土面板的应力应变、 河床防渗墙的应力应变状态， 以及面板周边缝的变形分布情况， 揭示了峡谷地区和 深厚覆盖层条件下面板堆石坝在各种工况下的应力应变规律， 为工程设计提供依据。 关键词： 面板堆石坝； 本构模型； 非线性有限元； 应力变形。 中图分类号 ： T V3 1 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 1 7 0 4 Fi ni t e El e me n t Ana l y s i s o n S t r e s s a nd De f o r mat i o n f o r J i u d i a n x i a Co n c r e t e F a c e Ro c k f i i l Da m I U Sh e n g - x i t 0 ( 1 C o l l e g e o f W r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g， Ho h a i U n i v ， Na i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 T h e Wa t e r R e s o u r c e a n d Hy d r o p o we r I n v e s t i g a t i o n De s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Ga n s u， L a n z h o u 7 3 0 0 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i s p a p e r c o n d u c t e d a d e t a i l e d r e s e a r c h i n t o J i u d i a n x i a c o n c r e t e f a c e r o c k - fi l l d a m ( C F RD)b y u s i n g t h e 3 - d i me n s io n a l n o n - l i n e a r FEM Th e s t a t e s o f s t r e s s a n d s t r a i n o f t he d a m b o d y，t h e c o n c r e t e f a c e ，t h e r i v e r b e d d i a p h r a g m wa l l ，a s we l l a s t h e d i s t r i b u t i o n s o f t h e p e r i p h e r a l j o i n t s a n d s l a b j o i n t s a r e o b t a i n e d Th e l a w o f s t r e s s a n d s t r a i n o f C F R D c o n s t r u c t e d o n t h i c k mo r a i n e c o v e r f o u n d a t i o n i n r i v e r v a l l e y s i n d i f f e r e n t o p e r a t i o na 1 s t a t e s i s r e v e a l e d The r e s e a r c h t h u s p r o v i d e d a ba s i s f o r e n g i n e e r i n g de s i g n Ke y wo r ds ：CFRD； c o n s t i t u t i v e mo d e 1 ； n o n - l i n e a r f i n i t e e l e me n t ； s t r e s s a n d d e f o r m a t i o n 九甸峡坝址区河谷狭窄， 两岸岸坡极不对称， 河床分布深 厚砂砾卵石覆盖层， 并有一深槽贯穿整个坝址 ， 深槽覆盖层最 大厚度达 5 6 m， 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 个防渗系统的最薄弱环节， 必须给予足够的重视。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 力变形的数值模 拟分析 ， 深 入研究 覆盖层 上面板 堆石坝 的应 力变形特性 、 深 覆盖 层对 上部 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覆盖层之间的相互作用 性态等 ， 对工程的结构形式进一步进行了论证， 为设计方案的 确定提供了技术支持。 l 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九甸峡峡谷进 口段 ， 距兰州市约 1 9 3 k m， 是甘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 2 2 0 2 O 0 m， 校核洪水 位 2 2 0 5 1 1 m， 相应水库总库容 9 4 3 亿 r n 3 ， 面板堆石坝最大高 度 1 3 3 m， 电站总装机容量为 3 0 0 MW。按 水利水电工程等 级划分及洪水标准 ( S I 2 5 2 2 0 0 0 ) 规定， 工程规模属于大( 2 ) 型， 工程等别为等， 主要建筑物为 2 级， 次要建筑物为 3级。 大坝按照 1 级建筑物设计。 九甸峡面板堆石坝关键问题有： 坝址区河道狭窄， 岸坡陡 峻， 特别是坝址左岸岸坡近于直立； 河床底部分布深厚覆盖 层 ， 最深 为 5 6 m， 宽度只有 4 0 m左 右 ； 地震设计烈度 为 8度 ； 两岸存在地下水低凹带， 以及两岸卸荷裂隙发育等， 对面板坝 布置和结构设计 、 大坝的应力变形等很不利。针对关键问题 ， 设计采取了相应工程措施 ， 结合分析计算和模型试验等成果 ， 确定在深厚覆盖层上修建面板碓石坝， 最大坝高 1 3 3 m， 坝顶 长 2 3 2 m， 设计坝体上游坡比为 1 ： 1 4 ， 下游坡比为 1 ： 1 3 、 1 ： 1 4 ； 坝顶宽 1 0 m， 上游设钢筋混凝土“ L ” 型挡墙； 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l 1 ； 垫层区水平宽为 4 m， 过渡层水平宽为5 m， 面板厚度变 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 2 0 7 修 回日期 ： 2 0 1 0 0 4 1 8 作者简介 ： 吕生玺( 1 9 7 0 一 ) ， 男 ， 甘肃会宁人 ， 教授级高级工程师 ， 博士研究生 ， 主要从事水利水电工程 的研究和设计工作 。 试 哦 藐 1 1 7 第 8 卷 总第4 8期 南水北调与水利科技 2 0 1 0年第3期 化从上至下为 0 3 0 6 5 m； 岸坡趾板宽为 6 m， 河床平趾板 置于覆盖层上， 宽度 6 m， 通过 4 m宽的连接板与上游防渗墙 柔性连接l 2 。 2 计算模型 2 1 坝体和坝基材料计算模型 计算分析中， 坝体和地基等土石材料均采用邓肯一张双 曲线非线性弹性 E - B模 型I 3 ， 基 岩、 混凝 土面板 、 混凝 土 防渗 墙和连接板等材料采用线弹性模型， 计算分析中采用逐次 增量法来模拟材料的非线性特性 5 。 切线弹性模量 ： E ，一 K p 1 一 R ， s ) 2 ( ) 切线 白 松 比： D( Ei ( 1 一 。) Rr S) 或 一 +( q) S 切线体积模量： K 一 f 1 p n 卸荷或再加荷弹性模量： K P f 1 ， 采用非线性有限元法计算坝体应力和应变， 其基本平衡 方程是 ： K( “ ) “ 一 R 式中： K( ) 整体劲度矩阵； “ 一结点位移列阵； R 一结 点荷载列阵。 2 2接 触 面及 连接 分缝 的模 拟 在面板堆石坝的结构中， 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、 面板周边缝等接 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嘲( 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来加以 模拟， 以准确、 真实的反映坝体各部位相互作用的特性。在以 往的计算分析中， 接触面的模拟常采用无厚度的 G o o d ma n 单 元m 来模拟， 但由于其无厚度的特性， 在实际计算分析中， 很 难保证单元两侧的节点不发生相互嵌入的现象， 而且， 法向劲 度取值过大或过小对于计算的精度也会产生不利的影响。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， 在本次 的计算分析中， 对面板与垫层、 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来模拟。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 1 1 8 “ 试 |鑫 | 竞 。 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问的接触面， 薄层单元取地基砂砾石材 料的力学特性， 而对于地基中混凝土防渗墙与周边砂砾石层 的接触面， 考虑到防渗墙造孔时因采用泥浆固壁， 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， 程序中同样也要进行受拉破坏的处理。 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 e ， 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 ， 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 E ， 可 以用下式表示 ： 广 O 0 0 l 0 0 l E l o o 1 【J 式中： 和G 一反映拉裂破坏变形和滑动破坏变形的模量参 数。平行于接触面方向上的正应变由于受到混凝土的约束不 会发生破坏， 因此可取 一o ， 对应的， c 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 ： 一 + = + = c 对于面板 之间的接 缝 ， 采 用在分缝 处设置 双节点 的分离 缝单元模拟， 缝单元采用无厚度形式。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 ， 则 采用软单元的方式进行模拟。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， 此软单元取混凝土材料 的力学特性 ； 当接缝受拉或受剪时， 软单元则取为较低模量的 柔性材料特性 。 对于防渗墙与连接板、 连接板与连接板、 连接板与趾板、 趾板与面板之间的接缝 ， 则采用软单元的方式对接缝中的柔 性材料进行模拟。当接缝受压时， 软单元取混凝土材料的力 学特性； 当接缝受拉时， 软单元则取为柔性填料的力学特性。 3 计算分析 计算分析模拟土坝的实际施工过程， 计算坝体内的应力、 应变和位移。采用增量法E ， 每个增量步可以是坝体的一个 填筑层， 在每一荷载步中进行两步迭代计算， 第一步采用的模 量根据增量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。坝体最终的应力、 变形为每一荷载步 所引起的应力、 应变和位移的迭加值。 卜 、 ， ， ， ， ， ， 、 吕生玺 九甸峡混凝土面板堆石坝应力和变形有限元分析 在每一个增量步中， 程序都要对各个单元进行判断， 以决 定本单元是处于初始加载、 弹性卸载、 拉力破坏或剪切破坏的 何种状态 。 初始加载。当某一单元不满足卸荷条件时， 要采用初 始加载的模量。根据当前应力状态按加载公式计算。但是， 如果土料为无凝聚性材料， 最小主应力 为正值且小于 0 1 大气压， 则在计算模量时 将指定为 0 1大气压。 弹性卸荷。当单元浸水， 容重降低时， 单元按卸荷作用 考虑 。 土的拉力破坏。当 为负值时， 单元处于拉力破坏状 态。在第一次迭代时， 体积模量按 为 0 1 大气压求算。如 果在第二次选代结束时， 该单元仍处于拉力破坏 ， 体积模量就 采用第一次时的 1 1 0 0 。第一、 二次迭代中， 剪切模量均采用 体积模量的 1 1 0 0 。 土的剪切破坏。当应力水平大于 0 9 5时， 认为发生了 剪切破坏， 此时采用相应于 0 9 5的应力水平的模量值。 计算分析中， 沿坝轴线将整个坝体分成 2 5 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 1 6步施加， 面板一次浇筑完成， 水库蓄水的过程分成 5步逐 级蓄至正常蓄水位。整个计算分析的模型共剖分 3 7 0 8个单 元、 4 7 6 6 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， 面板与趾板间的周边缝采用软单元模拟。 4 计算参数 坝体土石材料的参数取 自室内大型三轴试验的成果， 计 算分析中各材料的参数具体取值如表 1所示。 表 1 材料的邓肯一张模型 ( EB )参数 材料名称 y ( t m- 3 ) K n Ri m ( 。 ) ( 。 ) 主堆石料2 2 0 1 4 0 0 2 8 0 0 0 5 3 0 7 9 8 1 0 0 0 0 0 0 5 0 9 8 5 次堆石料2 1 6 1 1 2 0 2 2 4 0 0 5 3 0 7 9 8 8 0 0 0 0 0 5 0 9 8 5 过渡料2 2 5 1 5 0 0 3 0 0 0 0 5 5 0 9 0 7 1 2 5 0 0 0 0 5 4 1 1 0 5 垫层料2 2 8 1 7 5 0 3 5 0 0 0 4 3 0 7 6 8 1 2 0 0 0 4 1 5 8 1 1 4 5 面板2 4 0 3 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 一 一2 0 0 0 0 0 4 5 0 一 沉渣 1 6 0 8 0 0 1 2 0 0 0 5 0 0 8 7 1 4 0 0 0 3 0 3 6 0 1 7 覆盖层2 0 9 7 0 0 1 4 0 0 0 3 1 0 7 9 8 2 1 0 0 2 8 4 6 4 5 8 防渗墙2 4 0 2 6 0 0 0 0 2 6 0 0 0 0 一 一1 7 3 0 0 0 4 5 0 一 2 4 o 3 0 0 0 0 0 3 o 0 o ( )( 一一2 O 0 0 0 4 5 0一 基岩 2 4 0 2 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 7 5 0 0 0 0 0 0 4 5 0 0 0 5 计算结果分析 大坝计算结果汇总见表 2 ， 典型图见 图 1 一图 6 ， 坝体应 力变形计算结果如下。 在 目前的坝体断面设计方案和现行的计算参数情况 下， 计算分析所得的蓄水期坝体最大沉降为 1 3 r n ， 坝体大、 小主应力的最大值分别为 3 5 5 MP a和 0 8 8 MP a ， 面板的最 大挠度为 2 1 1 c m。防渗墙的最大位移为 1 1 6 c m， 压应力约 为 1 5 MP a 。从应力变形分析的角度看， 这样的数值均在合理 范 围之 中。 从坝体的位移看， 坝体的沉降位移在深槽段偏向坝体底 部， 其原因主要是深槽段坝基覆盖层的材料参数相对较弱。 但总体而言， 坝体的沉降量并不大。 上游距坝轴线 In 图 1 蓄水期防渗墙一连接板 一趾板位移 l n m 图 2 蓄水期面板周边缝位移 距左坝肩距离 m 图 3 蓄水期面板 法向位移分 布( MP a ) 距左坝肩距离 m 图 4 蓄水期面板沿坝坡方向应力分布( MP a ) 距坝轴线距离h n 图 5 剖面蓄水期竖向位移( m) 鬣 l 蠢 1 1 9 础世蜉 第8卷 总第 4 8 期 南水北调与水利科技 2 0 1 0年第 3期 距坝轴线距离m 图 6 剖面蓄水期水平位移( m) 表 2 大坝计算分析的主要结果( 最大值) 从坝体的应力和变形分布上看， 坝体整体的应力和变 形分布与其他的面板堆石坝工程基本类似， 坝体的应力和变 形数值均在合理范围之中。 在水库蓄水的情况下， 面板的大部分区域呈双向受压 的应力状态。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。 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上看， 墙体向上游侧的变形 ( 上接 第 1 1 6页) 参考文献 ： 1 新疆喀什地区水利水 电设计院 中游枢纽可行性研 究报告 R 2 0 0 4 2 黄伦超 ， 刘 超平 关于 大源 渡枢 纽 的泄洪 能力 J 水 运工 程 ， 2 0 0 0， ( 3 )： 3 3 3 5 3 张绪进， 樊卫平， 张厚强 低闸枢纽泄流能力研究l_ J 水利学报， 2 0 0 5， ( 1 0) ： l 2 4 6 1 2 5 1 l ；| * 1 2 0 试验研宄 并不大， 但蓄水以后， 在水荷载的作用下， 墙体向下游变形。 6 结语 通过九甸峡面板碓石坝工程的计算分析， 确定在深厚覆 盖层地基中采用防渗墙截渗、 平趾板柔性连接方案是可行的。 计算结果显示， 坝体沉降变形、 面板应力及变形形态 虽与常规面板坝有所差异， 但变形量及应力水平均满足规 范要求 。 由于岸坡陡峭， 河谷地形不对称， 大坝纵 向变形相对 较大 。 周边缝变形相对较大， 需加强止水结构设计。 坝体、 面板、 周边缝等关键部位的应力应变水平均在可 控制的范围之内， 大坝总体设计是合理的。 参考文献 ： 1 S L 2 2 8 9 8 ， 混凝土面板堆石坝设计规范I s 2 蒋国澄， 傅志安， 凤家骥 混凝土面板堆石坝 M 武汉： 湖北科 学技术 出版社 。 1 9 9 7 3 张宗亮， 贾延安， 张丙印 复杂应力路径下碓石坝本构模型比较 验证 C 土石坝技术3 2 0 0 8 年论文集 ， 中国电力 出版社 ， 2 0 0 8 ： 7 2 7 8 4 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 ， 1 9 9 9 5 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 ，1 9 9 6 6 谢 晓华 ， 李 国英成屏混凝 土面板堆石 坝应力应 变分析I- J 岩 土工程学报 ， 2 0 0 1 ， 2 3 ( 2 ) ： 2 4 3 2 4 6 7 顾淦臣， 束一鸣， 沈长松 土石坝工程经验与创新 M 北京： 中 国电力 出版社 ， 2 0 0 4 I- 8 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 9 曹克明， 汪易森， 张宗亮 高混凝土面板堆石坝的设计与施工 l_ J 水力发 电， 2 0 0 2 ， ( 1 0 ) ： 4 9 5 2 1 O 沈婷， 李云， 李国英， 等 那兰水电站覆盖层上混凝土面板堆石 坝应力应变特性 c 2 0 0 6 年面板堆石坝年会暨深厚覆盖层 筑坝技术研讨会 论文集 ， 北京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 6 1 1 郦能惠， 米 占宽 ， 孙大伟 深覆盖层 上面板堆石坝防渗墙应力变 形性状影 响因素的研究I J 岩土工程学报 ， 2 0 0 7 ， ( 1 ) ： 2 0 2 4 4 5 6 7 3 8 严晓达 低水头引水防沙枢纽 北京： 水利电力出版社， 1 9 9 0 成都科技大学水力学教研 室编 水 力学 M 北京 ： 高等教育 出 版社 ， 1 9 8 4 新疆水利水电科学研究院 泥沙起动流速试验报告 R _ 2 0 0 3 新疆水利水 电科学研究院 叶尔羌河 中游枢纽模 型试验验证工 作报告 R 2 0 0 4 新疆水文水资源局喀什水文水资源勘 测大 队 新疆 叶尔羌河 中 游渠 首水工模型试验水文勘测成果 报告 R 2 0 0 2