堆石流变对混凝土面板堆石坝蓄水期应力变形的影响分析.pdf

笙 塑 璺笙 三 2 0 1 5 年1 1 月 中国水能及 电气化 Ch i n aWa t e r Po we r& El e c t r i fic a t i o n No I l ( T OT A LNo 1 2 8 ) N0 v 2 01 5 D OI ：1 0 1 6 6 1 7 j c n k i 1 1 - 5 5 4 3 T K 2 0 1 5 1 1 0 1 8 堆石流 变对 混凝 土面板堆石 坝蓄水期 应力变形 的影 响分析 金棋武 江晓一 ( 1 浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心，浙江 杭州3 1 0 0 1 2 ； 2 中国国电集 团温岭江厦潮汐试验电站，浙江 台州 3 1 7 5 2 8 ) 【 摘要】 本文对双溪 口 面板堆石坝在蓄水期采用三维非线性弹性有限元法进行 了应力变形计算。观察坝体、 面板的应力和变形情况，并就堆石流变对坝体、面板应力和变形的影响进行 了分析研究。结果表明：考虑堆石 的流变效应后，坝体变形有所增加，特别是对面板的应力变形状态影响很大。可见蓄水后的堆石料流变对面板 堆 石坝 的安全 影响重大。 【 关键词】 混凝土面板堆石坝；蓄水期；堆石流变；应力应变 中图分类号 ：T V 6 4 1 4+ 3 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 3 - 8 2 4 1 ( 2 0 1 5 )1 1 4 1 0 6 1 - 0 5 I mp a c t a n a l y s i s o f r o c k fi l l r h e o l o g y o n c o n c r e t e f a c e r o c k fil l d a m s t r e s s d e f o r ma t i o n d u r i n g i mp o u n d me n t p e r i o d J I N Q i w u ， J I A N G X i a o y i ( 1 Z h e j i a n g Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g Q u a l i t y a n d S a f e t y S u p e r v i s i o n Ma n a g e me n t C e n t e r，Han g z h o u 3 1 0 01 2，Ch i n a； 2 C h i n a G u o d i a n G r o u p W e n l i n g J i a n g x i a E x p e r i me n t a l T i d a l P o w e r S t a t i o n ，T a i z h o u 3 1 7 5 2 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：3 D n o n l i n e a r e l a s t i c fi n i t e e l e me n t me t h o d i s a d o p t e d i n S h u a n g x i k o u f a c e r o c k f i l l d a m d u d n g i mp o u n d me n t p e ri o d f o r s t r e s s d e f o r ma t i o n c a l c u l a t i o n S t r e s s a n d d e f o r ma t i o n o f d a m b o d y a n d p a n e l are o b s e r v e d I n f l u e n c e o f r o c ldi l l t h e o l o g y o n d a m a n d p a n e l s t r e s s a n d d e f o rm a t i o n i s a n aly z e d a n d s t u d i e d Re s u l t s s h o w t h a t a f t e r c o n s i d e ri n g t h e r h e o l o g y e f f e c t o f r o c k fi l l ，d a m d e f o rm a t i o n i s s l i g h t l y i n c r e a s e d，a n d t h e i n fl u e n c e o n p a n e l s t r e s s d e f o r ma t i o n s t a t e i s g r e a t I t i s o b v i o u s t h a t t h e r o c k fi l l t h e o l o g y h a s s i g n i fi c a n t i nfl u e n c e O H s a f e t y o f f a c e rec k fi l l d am a f t e r i mp o u n d i n g Ke y wo r d s ：c o n c r e t e f a c e r o c k f i U d a m ；i mp o u n d me n t p e ri o d；r o c k f i l l r h e o l o g y；s t r e s s a n d s t r a i n 混凝土 面板 堆石坝堆 石材料 占坝体 总体积 的 9 0 以上 ，堆石体的变形直接关系到面板强度标准及 裂缝控制、止水要求 ，甚至危及坝体的稳定。我国已 本研究为浙江省水利厅科技计划项 目 ( R C 1 3 2 7 ) 。 建并投入运行 的面板堆石坝 中 ，通过原 型观测 ，堆石 的流变现象均 较为 明显 H 。本文 对双 溪 口面板 堆石 坝在蓄水期采用三维非线性弹性有限元法进行了应力 67 科学研究及工程设计 S c i e n t i fi c Re s e a r c h E n g i n e e r i n g De s i g n 变形计算 ，并对 考虑流变效应 和不考 虑流变效应两种 情况下坝体及面板应力和变形 的不同结果作 了比较分 析 ，以此探讨 堆石流变对混凝 土面板 堆石坝 的影 响。 1 流变产生机理及堆石流变本构模型 1 1 流变产生机理 混凝土面板堆石坝堆石料颗粒之间的连接方式 为 简单的邻接接触和交合连接，随着时间的推移 ，堆石 料在大坝高应力作用下 ，可能因颗粒 破碎或滑移而 不 断地产生新的变形，使堆石颗粒之间的变形和应力经 过 自身的调整后 达到新 的平衡 ，宏观上 大坝会产生竖 向和水平位移。对面板堆石坝而言 ，即使在坝体蠕变 变形 和位移 量较小 的情 况下 ，在相对很 薄的刚性面板 中产生的附加应力也可能导致面板开裂或压碎 ，使面 板漏水而失效。 1 2 堆石流变本构模型 现阶段大坝 的流变变形分析主要采用过应 力模型 和滞后变形两种模型 。 应力理论最 早 由 P e r z y n a ( 1 9 6 6年 )提 出，将 屈 服面和土的黏滞性结合，1 9 7 9年 Z i e n k i e w i c z 等进一 步完善并提出了相应的数值计算方法。滞后变形的概 念最早由 B j e I T U m ( 1 9 6 7年 )提出，它假定材料的黏 性只与弹 性相 联 系 ，任 何一 个 弹塑 性模 型加 上蠕 变 项 ，即得到相应 的滞后变形模型 。国 内沈珠江于 1 9 9 4 年在双屈服面模型的基础上 ，提出了一个加上 开尔文 模型的蠕变项 ，组成滞后变形模型。 采用滞后变形理论考虑堆石料 的蠕变特性 ，用 初 应变法计算土体的黏滞荷载，直接采用经验模型。本 文用 下面指数 型曲线 表示堆 石的流 变特征 ： 8 ( z )： ， ( 1一e 一 ) ( 1 ) 相应 的应 变速率 为 ： 童 = c e s e ( 2 ) 体积与剪切流变计算根据试验研究结果分别采用 如下关 系式 ： s 6 ( 0 3 ) ( 3 ) d 假定堆石料的体积流变与剪切流变都可 以用式 ( 1 )描述 ，且具有相 同的衰减 规律 ，则 由式 ( 2 )得 体积变形和剪切变形的速率分别为： 毒 =c 8 e - c ( 5 ) 音 ：c r e ( 6 ) 计算时，对体积流变 、剪切流变与直角应力应变 之 间的关 系 ，采用 P r a n d t l e R e u s s 流动法则进行转换 。 2 双溪口混凝土面板堆石坝蓄水期流变分析 2 1 工程概况 双溪 口水库坝址位于余姚市姚江支流大隐溪上， 距余姚城区2 2 k m，是以供水 、防洪为主，结合灌溉 、 发电等功能 的 等综合水 利工程。水库 集水面 积 4 0 01 k m。 ，总库容 3 3 9 8 万 m 。大 坝坝 型为混凝 土 面 板堆石坝 ，最大坝高 5 2 1 I T I ，坝顶 宽 6 9 m，长 4 2 6 m， 大坝上游坡坡 比为 1 ： 1 4 ，下游坡 坡 比为 1 ： 1 3 ，在 下游 2 3 m、3 9 m、5 4 m 高 程 处 ，设 置 三 级 3 m 宽 的 马道。 工程于2 0 0 5年 1 2月开工建设 ，2 0 0 9年 2月面板 开始浇筑 ， 4月底 面板 浇筑完成 ，5月底下 闸蓄水 。 2 2 计算模型 2 2 1 有 限元 几何 模 型 一 般基岩上面板坝更能直观地反 映变形 规律 ，此 次计算考虑去除覆盖层地基的影响，单独研究坝体力 学性态 ，地基 按刚性基 岩考 虑。采用 三维 自动剖 分程 序剖分坝体单元，三维有限元计算坝体单元划分为六 面体单元和少量过渡的四面体和五面体单元。坝体断 面剖分 单元 总数 为 1 3 4 4 0个 ，结 点总数 为 1 4 8 6 8个 ， 模型包含各 区堆石体 、面板 、趾板等实体 单元 ，周边 缝及竖缝等连 接单元 ，面板与 垫层 间的接 触面 单元 。 三维整体有 限元见 图 1 。本 构模 型参 数见 表 1 。混凝 土面板 、趾板采用线弹性模型 ，其参数 指标为 ：密度 2 4 5 m ，弹性模 量 2 0 G P a ，泊松 比 0 1 6 7 。考 虑 到 该坝的堆石料主要为凝灰岩，其岩性属于中等硬度， 科学研究及工程设计 S c i e n t i f i c Re s e a r c h E n g i n e e r i n g De s i g n 暂时选用与鲁布革心墙堆石坝材料一致的流变参数 。 表1 三 维 计 算 本 构 模 型 参 数 图 1 三维 整体 有限元网格 yd 妒0 ， 材料类 型 n m ( g o m ) ( 。 ) ( 。 ) 垫层料 2 2 5 5 2 O 9 0 0 7 5 l 1 0 o O 3 5 4 2 0 O 2 1 过渡料 2 2 2 5 1 O 8 O 0 7 5 9 8 0 O 2 8 3 8 0 O 2 0 主堆 石料 2 2 0 5 5 O l O O 0 8 3 9 7 0 O 3 O 3 5 0 O 1 9 次堆 石料 2 0 5 5 2 0 l 3 O O 7 8 7 9 0 0 4 0 3 3 0 O 2 2 接触 面 3 6 6 0 7 4 4 8 0 0 0 5 6 2 2 2 坝体填筑加载过程 坝体填筑共分 2 2级 ，具体加载过程见表 2 。 表 2 坝 体 填 筑 加 载 过 程 次序 部 位 次序 部 位 第 1 级 全断面填至2 4 0 3 m高程 第 1 2 级 全断面填至5 9 9 5 m高程 第 2 级 全断面填至 2 7 8 3 m高程 第 1 3 级 全断面填至 6 3 0 1 i n 高程 第 3 级 全断面填至 3 1 6 3 m高程 第 1 4级 全断面填至 6 6 0 7 m高程 第 4级 全断面填至 3 5 4 2 m高程 第 1 5级 面板一次性浇筑至 6 6 0 7 m高程 第 5级 全断面填至 3 9 0 4 m高程 第 1 6级 模拟蓄水至 2 7 8 3 m高程 第 6级 全断面填至 4 3 0 2 m高程 第 l 7级 模拟蓄水 至 3 5 4 2 m高程 第 7级 全断面填至 4 5 1 2 m高程 第 1 8级 模 拟蓄水至 4 3 0 2 m高程 第 8 级 全断面填至 4 7 8 5 m高程 第 1 9 级 模拟蓄水至4 7 8 5 m高程 第 9级 全 断面填至 5 0 9 4 m高程 第 2 o级 模拟蓄水至 5 4 0 2 m高程 第 1 O 级 全断面填至5 4 0 2 m高程 第2 1 级 模拟蓄水至 5 9 9 5 m高程 第 1 1 级 全断面填至 5 6 9 9 m高程 第 2 2 级 模拟蓄水至正常蓄水位6 5 3 0 m高程 2 3 计算结果与分析 经过三维非线性弹性有限元计算 ，得到了面板堆 石坝的堆石体和面板正常蓄水位下各主要物理量的分 布 ，关键处将加入考虑流变的计算结果与不考虑流变 计算结果的对 比。 2 3 1 对坝 体 应力应 变的影 响 面板堆石坝的堆石体在正常蓄水期考虑流变与不 考虑流变情况下的最大水平位移、最大沉降以及大、 小主应力极值等计算成果见表 3 。考虑流变情况下， 面板坝河床典型断面在蓄水期水平位移 、垂直位移、 大小主应力及应力水平的等值线见 图 2图 6 。 a 堆石体变形分析。考虑流变作用 的情况下 ， 向下游移动 的最大位移值为 8 7 5 c m，发生在坝体上 游侧 面板 部 位 ，下游 坝 坡 向下 游 侧最 大 变 形增 加 为 6 2 4 c m；在水荷载作用下 ，坝体的竖向位移量值及位 表 3 计 算 成 果(蓄 水 期 ) 项 目 不考虑流变 考虑 流变 堆石体 竖 向位移 铅直 向下 一1 9 4 0 3 2 O 2 位 移 向上游 一 0 5 1 O 水平位移 向下游 4 7 3 8 7 5 第一 主应力 MP a O 8 8 O 8 8 堆石 体 第三主应力 MP a 0。 2 6 0 2 l 应力 最大应力水平 O 5 1 0 4 5 图2 坝体蓄水期水平位移等值线 ( 含流变)( 单位：c m) 科学研究及工程设计 S c i e n t i f i c Re s e a r c h E n g i n e e r i n g D e s i g n 图3 坝体蓄水期竖向位移等值线 ( 含流变)( 单位：c m) 图 4坝体 蓄水 期大 主应 力等 值线 ( 含流变)( 单位：MP a ) 图5 坝体蓄水期小主应力等值线 ( 含流变)( 单位：M P a ) - 6 0 - 4 U 0U U 20 4 0 6 0 图 6 坝体蓄水期应力水平等值线 ( 含流变 ) 置较竣工期 略有增 加 ，增加为 3 2 0 2 c m。不考 虑流变 作用的情况下 ，向下游移 动的最大 位移 值为 4 7 3 c m， 坝体的竖 向位移量值为 1 9 4 0 c m。 b 堆石体应力及应力水平分析。蓄水期坝体面 板受水荷载的作用 ，大 、小主应力线出现上抬并与面 板相交。考虑 流变 的情况 下，大 主应力最 大值 为 0 8 8 M P a ，小 主应力 最大 值 为 0 2 1 M P a ；应 力水 平最 大值 0 4 5 ，主要发生在 下游次堆石区底部 ，由竣工期 的0 3 2 增加至 0 4 5 ，虽然蓄水导致两区应力水平增 大，但坝体各区依然是稳定的，未出现应力水平接近 于 1 0的破坏 区域 。不 考虑 流变作用 的情 况下 ，大主 应力最大值为 0 8 8 MP a ，小主应力最大值为 0 2 6 M P a ， 应力水平最大值0 5 1 。可见 ，流变作用有利于坝体应 力变得更为均匀 。 2 3 2对 面板 应 力应 变的影 响 面板堆石坝的面板在正常蓄水期考虑流变与不考 虑流变情况下的应力变形等计算成果见表 4 。考虑流 变的情况下，蓄水期面板挠度 、面板坝轴向位移 、面 板顺坡向应力、坝轴向应力见图7图 1 2 。 表4 混 凝 土 面 板 计 算 成 果(蓄 水 期 ) 项 目 不考虑流变 考虑 流变 坝轴 向 向右岸 1 4 0 4 7 9 面板变形 向左岸 1 O 8 3 8 3 挠度 向坝内 6 5 6 1 4 7 9 拉应力 顺坡向 面板应力 压应力 2 ， 4 4 3 5 7 MP a 拉应力 一O 7 1 一O 8 6 坝轴向 压应力 1 2 2 1 3 6 法 向沉陷 2 5 周边缝 错动 剪切 5 1 2 变形 张拉 3 3 拉压 压缩 4 1 0 图 7 蓄水期面板挠度 ( 含流变 ) a 面板变形分析。考虑流变作用下 ，蓄水期坝 体受水压力的推动 ，整体向下游侧移动，面板向下游 挠度为 1 4 7 9 c m，挠度最大值位于面板顶部 ；而不考 虑流变的情况下，面板挠度仅为 6 5 6 c m，挠度最大值 位置也发生了变化，发生在面板中部略微偏下部位。