搜索混凝土面板堆石坝三维非线性有限元应力变形分析
2013-06-18 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
1 工程概况
鲤鱼塘水库水库混凝土面板堆石坝工程最大坝高105m。坝址河谷形态呈不对称“V”形,岸坡左陡右缓。左岸坡坡角60°~70°;右岸地形稍缓,坡角为30°~50°。部分地段分布有残、坡积物及崩塌堆积物。河谷宽约50m,常水位水面宽度10~20 m,正常蓄水位时河谷宽度222~285m。上下游坡面均为1:1.4,面板共设置21条垂直缝,分缝宽度12m。坝址出露的地层为侏罗系中统千佛岩组(J2q)砂岩、粉砂岩及粉砂质泥岩,分别为坚硬、中等坚硬岩石及软岩。岩层走向垂直于河流且倾向上游,为横向谷。河床为冲、洪积漂石、卵砾石夹砂,松散,厚度0~3 m。左岸基岩裸露,右岸除局部覆盖有1~5m的块石、碎石夹亚粘土外,大部分岸坡基岩裸露。大坝主堆石区石料采用溢洪道等建筑物开挖料和坝址下游料场砂岩石料,岩性较坚硬;次堆石区石料部分采用砂岩、粉砂岩及粉砂质泥岩,其中泥岩所占比例较大,软化系数较低,岩性较为软弱。坝体材料分区的基本剖面图如图1所示。
2 计算方法与参数
在有限元计算中,混凝土面板堆石区采用Duncan-Change E-B非线性本构模刑模拟应力应变关系,计算参数见表1。面板坝上游石渣护面、粘土铺盖均考虑为透水边界;设置了混凝土面板垂直缝和周边缝以反映变形的不连续性。混凝土面板按照线弹性材料考虑,忽略混凝土的拉应力开裂效应。坝体二维有限元模型的单元网格见图2。二维单元剖分单元总数为6588,周边缝单元数为70,垂直缝单儿数253,节点总数为7420。
3 计算结果
利用有限元分析软件ABAQUS中增加的Duncan-Chang模型,完成了混凝土面板堆石坝的二维非线性有限元应力应变分析。ABAQUS中以拉应力为正,而土工计算中以压为正,所以在应力石图中对大主应力显示为小主应力,对小主应力显示为大主应力。
施工期间,坝体最大横断面沉降为1.00 m,位于约2/3坝高处,沉降量约为坝高的0.95%;相应上游坡面向上游水平位移为0.23 m, 下游坡面向下游水平位移为0.27 m。蓄水后,坝体最大横断面的最大沉降量为1.10 m,比施工期增大约10.0%,净增氏幅度合理,产生最大沉降的位置基本无变化,仍在坝高2/3处。与施工期水平位移相比,蓄水期坝体上游坡面向上游位移为0.05 m,比施工期减少0.18 m;下游坡面向下游位移为0.35 m,比施工期增加0.08 ma蓄水对坝体水平位移有明显影响,水平位移量从上游到下游逐渐增大,坝高1/2以上部位的位移明显,坝顶部的水平位移约为0.07~0.08 m。上游坝面约1/3坝高、坝轴线上游侧仍向上游水平位移,范围与量级比施工期小,变形规律合理。
施工期的坝体最大横断面大主应力最大值为1.52 MPa,出现在坝轴线基岩部位。主应力值随坝体断面高程增加而减小,自重效应明显;小主应力最大值为0.475 MPa。蓄水期,坝体最大横断面上坝轴线上游部分堆石区的大主应力受水压力作用明显,大主应力值普遍有所增大,断面上大主应力最大达到1.65 MPa,比施工期大主应力增大约8.5%。小主应力最大值为0.475 MPa。
由于垫层区和过渡区的弹性模量系数高于主堆石区,而且距上游坡面近,坝体蓄水后大主应力增幅大于主堆石区和次堆石区是合理的,但上游坡脚垫层区应力梯度变化急剧明显。总的来看,水压力对主堆石区和次堆石区大、小主应力增幅影响有限,计算结果与其他坝高相近工程类似。
蓄水后,面板的水平向、顺坡向的位移分布规律比较合理,但最大法向位移计算值明显偏大了。面板法向位移值偏大的原因明显与堆石区坝料的材料参数相对偏低有关,也与堆石体计算模型假设有关。
根据垂直缝单元和周边缝单元节点位移值,可以开发专用后处理程序,整理得到蓄水期垂直缝和周边缝的张开、切向和沉陷相对变形最大值如表2所示。蓄水期面板变形和沿坝轴线位移分别如图3,图4所示。将垂直缝和周边缝采用非线性节理单元模拟,计算收敛性良好。面板垂直缝张开形态基本顺河谷呈“V”刑分布,垂直缝未出现张开、闭合交替现象。由于左河岸比右河岸稍陡,周边缝的最大张开变形值出现在左岸(图4)。
图5、图6分别给出了施工期和蓄水期堆石体应力水平等值线。施工期堆石区的应力水平小于0.65(相当于65%),沿上、下游坡面附近区域堆石区的应力水平稍高。蓄水后,由于面板的作用,上游坡面附近和主堆石区的应力水平有不同程度的降低,而下游坡面附近堆石区的应力水平略有所上升,坝基附近的堆石体应力水平基本呈降低趋势。
4 结语与建议
a.计算得到的竣工期坝体最大垂直沉降约为100 cm,约为坝高的0.95%,发生在2/3坝高处,竣工期坝体垂直沉降属于正常范围。上下游坡面水平位移呈反“S”状。上下游坡面均出现上陷下凸”的变形规律。
b.蓄水期最大沉降量为110 cm,比竣工期坝体最大垂直沉降增加约10%.蓄水期沉降比较正常,水荷载对最大垂直沉降的影响不显著。
c.依据目前的技术水平和国内己建、完建工程经验,蓄水期面板垂直缝和周边缝的按缝设计和材料工艺水平,两种方案计算得到面板垂直缝和周边缝的张开、切向和沉陷变形属于正常范围。
d.坝体部分区域大卞应力水平较高,竣工期为1.52 MPa.蓄水期为1.65 MPa;小主应力值偏低,竣工期和蓄水期应力值均为0.475 MPa,存在一定的拱效应,可能对后期坝体变形有一定影响。
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