基于子结构的精细化特高面板坝面板挤压破坏机理研究.pdf

收稿日期:基金项目:国家重点研发计划(Y F C )通信作者:朱晟(),男,教授,博士,主要从事水工岩土与环境岩土方面的研究工作 E m a i l:s z h u h h u e d u c nD O I:/j c n k i i s s n X 引用格式:王晶晶,朱晟基于子结构的精细化特高面板坝面板挤压破坏机理研究J三峡大学学报(自然科学版),():基于子结构的精细化特高面板坝面板挤压破坏机理研究王晶晶,朱晟,(河海大学 水文水资源与水利水电工程科学国家重点实验室,南京 ;河海大学 水利水电学院,南京 )摘要:为研究特高面板堆石坝运行期面板挤压破坏发生机理和特征,结合金沙江拉哇特高面板堆石坝工程,采用河海大学统一广义塑性模型,在考虑堆石料流变过程遗传效应下,对坝体进行三维有限元计算认为堆石体流变和波动水荷载影响下面板接触效应是发生挤压破坏的本质原因基于有限元分析结果,建立面板缝子模型结构进行精细化分析,通过整体网格与面板缝子模型共享节点位移场的回归拟合,对子模型二次建模计算计算结果表明:处于河床处的面板接缝处表面部位,在坝高上部约/处容易发生应力集中,最终导致面板混凝土发生挤压破坏关键词:特高面板坝;有限元法;应力变形;混凝土面板;挤压破坏中图分类号:T V 文献标志码:A文章编号:X()S t u d yo nE x t r u s i o nD a m a g eM e c h a n i s mo fC o n c r e t eF a c eo fS u p e r h i g hC o n c r e t e F a c e dR o c k f i l lD a mB a s e do nS u b s t r u c t u r eWAN GJ i n g j i n g,Z HUS h e n g,(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fH y d r o l o g y,W a t e rR e s o u r c e s&H y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,H o h a iU n i v,N a n j i n g ,C h i n a;I n s t i t u t eo f W a t e rC o n s e r v a n c y&H y d r o p o w e rE n g i n e e r i n g,H o h a iU n i v,N a n j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h e m e c h a n i s m a n dc h a r a c t e r i s t i c so fs u p e r h i g hc o n c r e t e f a c e dr o c k f i l ld a m s(C F R D)u n d e ro p e r a t i o np e r i o d,au n i f i e dg e n e r a l i z e dp l a s t i cm o d e l o fH o h a iU n i v e r s i t yw a su s e dt op e r f o r mt h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t c a l c u l a t i o n s o f t h eL a w a s u p e r h i g hc o n c r e t e f a c e d r o c k f i l l d a mb o d y i nJ i n s h ar i v e ru n d e rc o n s i d e r a t i o no f t h eg e n e t i c e f f e c t s o f t h e r o c k f i l lm a t e r i a l r h e o l o g i c a l p r o c e s s I t i s c o n s i d e r e d t h a tt h em e c h a n i s mo f e x t r u s i o nc o n t a c tu n d e r t h e i n f l u e n c eo f r o c kp i l e r h e o l o g ya n d f l u c t u a t i n gw a t e r l o a d i s t h ee s s e n t i a l r e a s o nf o rt h eo c c u r r e n c eo fe x t r u s i o nd a m a g eo fc o n c r e t es l a b s B a s e do nt h er e s u l t so ft h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s,t h es t r u c t u r eo ft h em o d e li se s t a b l i s h e df o rr e f i n e m e n ta n a l y s i s B ys h a r i n gt h eo v e r a l la n dl o c a ld i s p l a c e m e n tf i e l d s,t h es u b m o d e li s m o d e l e da n dc a l c u l a t e da g a i n T h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n i s e a s y t oo c c u r a t a b o u t/o f t h eu p p e r p a r t o f t h ed a mh e i g h t a t t h es u r f a c eo f t h ep a n e l j o i n ta t t h er i v e r b e d,w h i c he v e n t u a l l yl e a d st ot h ee x t r u s i o nf a i l u r eo f t h ep a n e l c o n c r e t e K e y w o r d s s u p e r h i g hc o n c r e t f a c e dr o c k f i l l d a m;f i n i t ee l e m e n t;s t r e s sa n dd e f o r m a t i o n;c o n c r e t e f a c e;e x t r u s i o nd a m a g e第 卷第期 年 月三峡大学学报(自然科学版)Jo fC h i n aT h r e eG o r g e sU n i v(N a t u r a lS c i e n c e s)V o l N o D e c 近年来,随着筑坝要求的提高,我国百米级高混凝土面板坝筑坝技术日益成熟,并逐步向 m级靠拢和突破随着面板坝坝高的不断增加,在取得成功经验的同时,部分面板堆石坝出现面板挤压破坏问题,天生桥一级面板堆石坝、水布垭面板堆石坝(坝高 m),运行期间均多次出现面板局部挤压破损、表面脱皮等现象;国外如非洲莱索托的莫霍尔(M o h a l e)面板堆石坝(坝高 m),巴西的巴拉格兰特(B a r r aG r a n d e)面板坝等也出现过类似问题张丙印等通过将参数反演结果与实测变形数据对比分析,得出导致面板破损的主要原因是面板脱空;Z h a n g等研究天生桥一级面板堆石坝,指出支撑面板的堆石体产生水平及竖向变形且面板与垫层间变形不协调是其面板与垫层脱空的主要原因;杨泽艳等提出面板无法适应堆石体过大的沉降和变形,导致了面板出现结构性裂缝总结已建设运行的高面板坝出现挤压破坏现象,发现都具有发生位置在河谷中央压缝区、发生部位位于坝顶处、发生宽度较窄的特点陈生水提出百米级大坝理论无法适应特高坝的建设和长期安全需求目前面板挤压破坏研究,更依赖工程经验,数值模拟方法研究不够深入,影响后续 m级特高坝的设计施工因此,探究特高坝的混凝土面板挤压破坏机理,对面板进行精细化研究,具有重要的工程应用价值混凝土面板作为与堆石接触的薄板结构,常规网格剖分使得面板网格过于粗糙本文通过建立面板垂直缝子模型结构,在坝体整体模型中切割出面板及其周围区域,将面板视为单独隔离体,将位移计算结果作为子模型的边界位移约束条件,建立起通过位移结果相关联但相对独立的结构使用多元线性回归分析方法得到面板子模型的拟合位移场,最终计算出面板子模型的局部应力场通过精细化模拟计算,分析面板混凝土及垂直缝部位的应力变形,探究混凝土面板挤压破坏机理 纵缝接触挤压效应针对面板堆石坝混凝土面板发生挤压破坏问题,众多学者认为在坝体运行期,堆石体变形通过与面板摩擦传递给面板,引起两侧面板向中部变位,中部面板受压,缝面压应力超出混凝土抗压强度,发生破坏本文继续研究面板挤压破坏发生机理面板浇筑后,在其表面荷载作用下,垫层发生河谷中央部位大,两边小的变形图是面板挤压破坏示意图,由图可见,混凝土面板在垫层料的带动下不仅发生平移,同时产生一定转动,导致面板块与块之间在分缝处发生局部顶部接触、底部张开的情况,形成应力集中,导致面板发生挤压剪切破坏分析工程原型监测资料,发现坝体沉降变形与水位变化存在较强相关性坝体运行过程中,在水位波动循环荷载和堆石材料流变特性影响下,其变形在一定时期依旧发展,坝体变形未达到稳定状态,面板与垫层间的变形差距会持续增大图面板挤压破坏示意图综上分析,堆石体流变和波动水荷载是运行期面板发生挤压破坏的主要原因在当前有限元计算中,一般将横截面尺寸较小的混凝土面板厚度方向划分为一层单元,而坝轴向以符合实际混凝土浇筑尺寸、顺坡向以适应实际填筑高程为主,于是空间上面板单元不同方向尺寸差距过大因此,尚不足以解释和模拟面板变形特点本文选取面板局部部位,建立面板垂直缝子模型结构,对子模型进行单元精细化剖分和二次建模计算,如图所示图面板挤压破坏分析子模型图 堆石坝三维有限元分析 堆石料本构模型面板坝计算时选取的坝料本构模型很大程度上会决定最终有限元计算结果的可靠性与准确性河海统一广义塑性模型 可以考虑堆石料剪胀性,该模型在堆石坝应力变形三维数值计算中表现出较好的适用性河海统一广义塑性模型弹塑性劲度张量为:De pDeDengnTfDenTfDengH()三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 月式中:ng为塑性流动方向张量;nf为加载方向张量;H为塑性模量剪胀方程满足:dgdpvdpsMc(Mc)()加载过程中的塑性流动方向表示为:ng Ldgdg,dg ()卸载时的塑性流动方向表示为:ng Ua b sdgdg ,dg()粗粒筑坝料剪胀应力比Mc为定值,堆石料的剪胀特性可表示为:Mcqp()高应力状态下,颗粒破碎造成堆石料强度减弱,其描述为:MfMf pprnf()式中:PrPac;Pa为大气压强;c为筑坝料抗拉强度 增量流变模型考虑到施工过程中堆石体应力不断变化,堆石体流变遗传的特点,采用朱晟等 基于B o l t z m a n n继效理论提出的增量流变模型,模拟大坝各级应力增量作用下的最终流变量假设大坝在n时刻作用第n级应力增量,则其累积流变量为(tn)v(t)niv fiec(ti)a()()s(t)nis fiec(ti)a()()式中:v fi,s fi分别为第i级应力增量作用下的最终体积流变量和剪切流变量切线流变体积模量Kt和剪切模量Gt分别为:Ktkvpapanv()Gtkspapans(Rs fS)()式中:Rs f为破坏比;S为应力水平;kv、nv、ks、ns为流变模型参数,可由室内三轴试验确定 堆石体变形分析 网格剖分及施工模拟拉哇特高混凝土面板堆石坝坝顶总长 m,坝顶高程 m,最大坝高 m,上游面板底部坝坡坡比 采用三维自动剖分程序,沿坝轴线方向共设置了 个剖面,共得到 个结点,个单元,如图所示荷载施加如图所示,按照大坝实际填筑的分级施工高程及蓄水顺序进行模拟图大坝三维剖分网格图图坝体填筑分期模拟图 本构模型参数利用坝料室内三轴试验成果,整理坝料的河海统一广义塑性模型的模型参数见表根据室内三轴流变试验结果,并采用I GA 方法反演得到堆石区的流变参数,见表混凝土弹性模量E MP a,泊松比v 表河海统一广义塑性模型参数值坝料名ctcemMf NfMcd垫层料 过渡料 堆石料 表增量流变模型参数值坝料名KSnSKvnvRs fc上游堆石料 下游堆石料 第 卷第期王晶晶,等基于子结构的精细化特高面板坝面板挤压破坏机理研究 应力变形分析面板挤压破坏主要受轴向位移挤压和面板转动的影响因此本文选取坝体的沉降变形、面板挠度、面板轴向位移和面板轴向应力作为挤压破坏参考指标选取坝体河床 m剖面进行分析,图为满蓄期典型剖面竖向位移等值线图图满蓄期典型剖面竖向位移等值线(单位:c m)由图可知,考虑堆石流变后坝体沉降明显增大整理考虑堆石流变效应的坝体竣工期和蓄水期应力变形,计算极值见表表河海统一广义塑形模型计算极值表时期堆石体位移/c m水平竖向面板变形/c m挠度坝轴向面板轴向应力/M P a竣工期 /满蓄期 /注:水平位移以指向上游为可见,在水平荷载作用下,坝体变形进一步增大图为满蓄期典型剖面大主应力等值线图,分布规律与坝坡平行,应力最大值为 MP a,在坝基处轴线位置图满蓄期典型剖面大主应力等值线(单位:MP a)图分别为满蓄期面板挠度和轴向位移等值线由图可以看出满蓄期面板挠度在 m高程范围内数值较大,轴向位移表现出由两岸向河谷挤压趋势,与实际工程规律相符合图满蓄期面板挠度等值线图满蓄期面板轴向位移等值线设计采用C 混凝土,标准抗压强度 MP a,抗拉强度 MP a,由于坝体整体有限元分析接缝采用无厚度单元很难模拟接缝局部挤压受力状态,计算得到的轴向压应力远小于混凝土极限抗压强度前文指出面板发生挤压破坏本质是面板块产生接触挤压,面板转动和移动都会对其产生影响面板挠度和轴向位移是面板转动与位移的主要影响因素,因此,根据有限元计算结果,在河谷中央坝顶位置发生面板挤压破坏合乎规律如图所示,本文选取拉哇面板坝河床处坐标为 m的R、R 两块面板,对其进行单元精细剖分,建立子结构模型进行面板挤压破坏分析,重点关注面板接缝子模型的挤压应力,在实现面板局部应力分析时可有效避免对接触面和连接单元的处理图R、R 面板位置图面板与垫层间的脱空直接影响面板发生挤压破坏,本文采用相对变位法,即提取面板背水面与垫层料上表面挠度差值,分析差值与循环蓄泄水次数的相关性,以水库水位从正常蓄水位 m降至死水位 m,水位再上升至 m高程为一次水位循环图 为不同循环升降次数下河床段面板脱空分布图-图 不同循环升降次数下混凝土面板脱空分布图三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 月由图 可知,随着库水位循环升降次数的增加,面板脱空区域逐渐增大后扩展会逐渐趋于稳定可见,坝体运行期水库循环波动水荷载显著影响混凝土面板的变形,堆石流变和波动水荷载是影响面板挤压破坏的主要原因 面板接缝子模型数值计算 计算模型与方法 混凝土面板接缝模型在子模型计算中,为避免采用无厚度接缝单元难以模拟局部面板受压特性及容易出现面板互相嵌入接触情况,根据对接缝结构的变形特征和相应试验结果,本文对有厚度的连接单元模型做出一定的改进根据受力与变形关系式可得:FF()a b()对应刚度可由式()来确定:KndFda(b)()法向刚度系数kn可由增量形式来表示:kn(LL)()对于有厚度的挤压竖缝,挤压位移和挤压应力分别表示为:LL LEn()式中:L为填缝料的初始厚度;L为填缝料受挤压之后的厚度建立接缝压缩模量En与法向刚度系数kn之间的关系:knEnL()本文采用如图 所示双曲线挤压模型对接缝进行模拟挤压计算;近似地将接缝的受拉及剪切过程采用线性模型来模拟,进一步对特高面板堆石坝面板挤压破坏的机理进行深入分析图 面板变形模型示意图 面板接缝子结构剖分对上文选取的面板子模型进行细化剖分,子模型剖分网格如图 所示,总计剖分单元 ,结点 个,并且沿面板厚度的方向共划分了层,平均划分厚度为 m-图 面板接缝子模型局部剖分网格 位移场拟合 位移场拟合函数确定根据上文三维有限元变形计算结果,利用R、R 两块面板在整体模型中面板单元结点处的位移计算结果,采用回归分析的方法进行面板子模型的位移场拟合,按照弹性力学方法,利用拟合的位移场计算出子模型的应力场采用高次多项式拟合描述面板接缝子模型的位移场,选取子模型R 面板的迎水面左侧结点坐标和计算位移初步确定拟合多项式的次数在坝轴向R、R 面板处仅有个节点,难以全面把握整体坝轴向的变形情况,故选取多块面板并将其顶部迎水面和背水面的z向位移分别进行拟合由此,最终确定x、y方向位移均使用次多项式拟合,z方向使用次多项式拟合如图(d)所示,面板迎水面和背水面的坝轴向位移差值在河床中部面板处达到极值,这表明中部面板处容易产生沿面板厚度方向上的错动开叉变形图 面板子模型结点位移多项式拟合第 卷第期王晶晶,等基于子结构的精细化特高面板坝面板挤压破坏机理研究面板处任意一点的y方向位移函数u(x,y,z)表达式为:u(x,y,z)f(x)f(y)f(z)f(x)aaxaxaxaxaxf(y)bbybybybybyf(z)cczczczcz()将位移函数u(x,y,z)展开,则u(x,y,z)ijkaibjckxiyjzk idiwi()式中:diaibjck,wixiyjzk,可根据拟合函数得到由此确定出三向位移场拟合函数,其他两个方向处理方法相同,最终得到面板缝子模型的各细化结点位移 位移场拟合结果分析根据计算得到的拟合函数,构造面板缝子模型位移场拟合结果,对比整体计算结果和多元函数拟合结果,如图 所示,可以看出结果规律与计算结果基本一致,对子模型精细化分析后数值都有所增大图 面板子模型水平向位移拟合结果图 面板子模型竖向位移拟合结果图 面板子模型坝轴向位移拟合结果 混凝土面板局部应力基于位移场拟合结果,计算面板挤压应力计算得出面板轴向应力基本均为压应力,R、R 面板的挤压应力区域基本集中在面板 m到 m高程区域在面板子模型的中部位置压应力明显较大,数值均不超过 MP a 图 为面板缝子模型沿厚度方向的应力分布图由图 可知,面板接缝部位的轴向应力呈现明显的应力梯度,由迎水面往背水面应力迅速减小,与工程实际发生的面板表面挤压破坏十分吻合 如图 所示,面板坝轴向应力极值为 MP a,位于 m高程位置,约为坝高上部/处位置,即在R 和R 面板的接缝处挤压应力远大于面板中部应力,形成了较为明显的应力集中现象,本工程此处面板容易出现局部挤压破坏,符合上述分析的面板接触挤压破坏的机理图 面板缝子模型坝轴向应力沿厚度方向分布图图 面板缝子模型坝轴向应力分布图综上计算分析,在堆石体流变和坝体运行期波动的水荷载影响下,面板产生的挠曲变形使得面板上表面压紧,下部张开;面板接缝处压力上部较大底部较小,由此产生应力集中现象,最终导致混凝土面板发生挤压破坏 结论本文基于拉哇特高面板堆石坝三维有限元分析计算,对小范围内混凝土面板进行精细化分析,建立面板缝子结构模型,探讨面板挤压发生机理,得到以下结论:三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 月)论述了面板堆石坝混凝土面板纵缝处发生接触挤压效应,认为堆石体流变和波动水荷载影响下面板发生的转动和移动是造成面板发生挤压破坏的根本原因)将面板作为隔离体,建立面板缝子模型结构,进行单元精细化剖分和二次建模,通过位移场回归拟合计算出子结构面板局部应力,有效避免对接触面及连接单元的处理)对拉哇特高面板堆石坝进行了面板缝子模型计算,分析面板挤压破坏发生机理结果表明,坝体变形最大值附近先发生挤压破坏,若不进行面板缝子模型分析会低估局部面板变形,为后续特高面板坝接缝处设计提供参考参考文献:马洪琪,曹克明超高面板坝的关键技术问题J中国工程科学,():郦能惠,王君利,米占宽,等高混凝土面板堆石坝变形安全内涵 及 其 工 程 应 用 J岩 土 工 程 学 报,():张丙印,师瑞锋,王刚高面板堆石坝面板脱空问题的接触力学分析J岩土工程学报,():Z HAN GBY T i m e d e p e n d e n td e f o r m a t i o ni nh i g hc o n c r e t e f a c e dr o c k f i l l d a ma n ds e p a r a t i o nb e t w e e nc o n c r e t ef a c es l a ba n dc u s h i o nl a y e rJ C o m p u t e r sa n dg e o t e c h n i c s,():杨泽艳,蒋国澄洪家渡 m级高面板堆石坝变形控制技术J岩土工程学报,():陈生水特高土石坝建设与安全保障的关键问题及对策J人民长江,():魏匡民,陈生水,李国英,等位移多点约束法在面板堆石坝精细模拟中的应用研究J岩土工程学报,():郝巨涛,杜振坤高混凝土面板堆石坝面板接缝挤压破坏预防措施研究J水力发电,():徐琨,杨启贵水布垭面板堆石坝坝体后期变形时空分布规律研究J长江科学院院报,():朱晟,魏匡民,林道通筑坝土石料的统一广义塑性本构模型J岩土工程学报,():朱晟,王永明,徐骞粗粒筑坝材料的增量流变模型研究J岩土力学,():朱晟,王永明,胡祥群免疫遗传算法在土石坝筑坝粗粒料本构 模 型 参 数 反 演 中 的 应 用 研 究 J岩 土 力 学,():熊海华,徐耀,贾金生,等高混凝土面板堆石坝面板挤压破坏分析J水力发电,():徐泽平,郭晨高面板堆石坝面板挤压破坏问 题研 究J水力发电,():责任编辑卢亚霞第 卷第期王晶晶,等基于子结构的精细化特高面板坝面板挤压破坏机理研究