沥青混凝土心墙坝力学性能数值模拟研究.pdf

第 3 4卷第 5期 2 0 1 2年 5月 人民 Y EL L O W 黄河 RI VER Vo l _ 3 4 No 5 Ma y， 2 01 2 【 水利水电工 程 】 沥青混凝土心墙坝力学性能数值模拟研究 王建祥 ， 唐新军， 李晓庆 ( 新疆农业大学 水利 与土木工程学院 ， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 -) 摘要 ： 针对新疆某沥青混凝土心墙堆石坝进行了有限元数值模拟计算， 坝体主应力和心墙轴线主应力比的计算结果表 明： 堆石体坝壳大、 小主应力最大值均出现在坝底部中轴线两侧； 满蓄期上游坝壳的大、 小主应力比竣工期小； 随着坝高 的增加， 沥青混凝土心墙的主应力比有增大趋势。根据计算结果对心墙的水力劈裂进行 了判别， 结果表明： 心墙竖向应 力均大于水压力， 沥青混凝土心墙不会发生水力劈裂。 关键词：沥青混凝土心墙坝；主应力；水力劈裂；有限元数值模拟 中图分类号 ：T V 6 4 1 4 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 2 0 5 0 4 6 Si mu l a t i v e S t u dy O i l M e c ha n i c a l Pr o pe r t i e s o f As ph a l t Co n c r e t e Co r e W a l l Da m WA N G J i a n x i a n g ， T A N G X i n - j u n ， L I X i a o q i n g ( C o l l e g e o fH y d r a u l i c a n d C iv i l E n g i n e e r i n g ， Xi n j i a n gA g ri c u l t u r a l U n iv e r s i t y ，U r u m q i 8 3 0 0 5 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p a p e r h a d s i m u l a t i v e c a l c u l a t i o n o n a n a s p h a l t c o n c r e t e c o r e w all d a m i n X i n j i a n g a n d a n al y z e d t h e r e s u l t s o f p ri n c i p a l s t r e s s o f d a m b o d y a n d p ri n c i p a l s t r e s s r a t i o o f c o r e w a l l a x i s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e maxi m u m v a l u e o f m a j o r a n d mi n o r p r i n c i p al s t r e s s o f r o c k fi l l d a m s h e l l a p p e a r i n t h e d a m b o t t o m o f b o t h s i d e s o f t h e axi s ； t h e ma j o r a n d mi n o r p ri n c i p a l s t r e s s o f t h e u p s t r e a m d a m s h e l l o f f u l l s t o r a g e p e ri o d a r e s m a l l e r t h a n t h a t o f c o mp l e t i o n p e rio d；wi t h i n c r e a s in g t h e h e ig h t o f t h e d a m，t h e a s p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l p rin c i p a l s t r e s s r a ti o h a s t h e t r e n d o f i n c r e a s e T h e h y d r a u l i c fr a c t u ri n g o f c o r e w a l l i s j u d g e d a c c o r d i n g t o t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e v e r t i c al s t r e s s o f c o r e w a l l i s g r e a t e r t h a n wa t e r p r e s s u r e As p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l wi l l n o t h a pp e n h y d r a u l i c f r a c t u ri n g Ke y wo r d s：a s p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l d a m ；p r i n c i p a l s t r e s s ；h y d r a u l i c fra c t u ri n g；fin i t e e l e me n t n u me ric al s imu l a t i o n 沥青混凝 土心 墙堆石 坝是土 石坝 的主要 坝型之 一 。大 坝主体由堆石或砾石组成， 中间设沥青混凝土防渗心墙 。 J 。 将沥青 、 矿料与掺合料等按比例配合， 加热拌和均匀 ， 经压实或 浇筑等工艺成型的沥青混凝土具有良好的适应变形能力、 抗冲 刷能 力 、 抗老化能力 、 裂缝 自愈能力等 ， 沥青混 凝土可 以在严 寒 条件下施工， 且整个心墙无须设置结构缝 。因此， 沥青混 凝土被广泛应用于水工结构防渗体， 特别是新疆等寒冷地区土 石坝中的防渗墙上 J 。许多学者针对沥青混凝土心墙坝施工 过程中出现的一些问题进行了研究 ， 但在试验和理论分析方面 研究较少。笔者对新疆某沥青混凝土心墙坝进行有限元数值 模拟计算 ， 并对计算结果进行了分析 ， 以期为沥青 昆 凝土心墙 坝的设计和工程应用提供依据和参考。 1 工程概况 新疆某水库工程是具有灌溉、 供水 、 防洪等效益的综合利 用工程， 水库大坝为沥青混凝土心墙堆石坝。水库正常蓄水位 1 4 7 4 Il l ， 对应库容 2 1 0 0万 m ， 拦河坝坝高 6 6 i n ， 设计灌溉面 积 1 3 5万 h m ， 担负着下游石油和工业园区 1 1 1 0 8 5万 in a 】 3 4 的供水任务， 该水库工程为 等中型工程。上游坝面坡 比为 1 ： 2 2 5 ， 下游坝面坡比为 1 ： 2 0 0 。沥青混凝土心墙坝以坝料强 度 、 渗透性 、 压缩性、 施工方便和经济合理等为原则进行分 区， 除沥青混凝土心墙外 ， 还有坝壳料区、 过渡料区、 上游 围堰 、 排 水料 区。 2 本构模型及材料参数 沥青混凝土心墙、 沙砾石坝是大坝的主体部分， 其应力应 变关系模拟的合理性直接关 系到坝体工作性状评估的准确 性 J 。大量研究表明沥青混凝土心墙材料和沙砾石坝料的应 力应变关系表现出明显的非线性， 本构模型可以采用邓肯 一张 模型， 也可以采用南水模型。研究发现， 邓肯 一张模型与南水 模型相比， 邓肯 一张模型计算的变形偏大， 基于安全考虑， 笔者 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 0 5 基金项 目： 新疆农业大学前期 资助课题( X J A U 2 0 1 0 0 7 ) 。 作者简介： 王建祥( 1 9 7 9 一) ， 男， 山东菏泽人， 讲师， 硕士， 主要从事力学与工程 结构理论应 用研究 工作。 E ma i l ： wl m q w j x 1 2 3 1 6 3 c o in 人 民 黄 河2 0 1 2年第 5期 采用邓肯 一张 E 模型进行数值模拟计算。 在有限元分析计算 中， 坝壳料 、 过渡料 、 沥青混 凝土心墙 采 用邓肯 一张 E 模型， 通过室内三轴试验， 得到其材料模型参 数 。模型参数黏 聚力 c ， 土 的内摩擦 角 ， 破 坏 比 R ， 切线模 量 系数 ， 切线模量指数 n ， 试验常数 G 、 F、 D值见表 1 。沥青混凝 土心墙基座 的弹性模 量 E=2 5 G P a ， 泊松 比 = 0 1 6 7 ； 基 岩 的 弹性模量 E=2 5 G P a ， 泊松 比 ：0 2 1 0 。 表 1 坝体各部分材料参数 3 有限元网格划分 根据坝体分区特点， 利用大型有限元软件对坝体进行剖 分， 顺河向为 l ， 轴方向， 沿高程增加 的铅直方向为 z轴方向。 对坝体进行有限元网格剖分时， 采用 8节点四边形单元。为了 解沥青混凝土心墙和过渡料的应力情况 ， 在心墙和过渡料交界 面设置薄层接触。大坝的有限元网格单元数为 6 1 4 7个 ， 节点 数 为 6 2 6 1 个 。 4 坝体填筑和蓄水过程模拟 采用有限元软件模拟大坝填筑及蓄水过程。基于坝体施 工为分层碾压填筑 ， 以及堆石体等材料的非线性特性， 坝体荷 载采用逐级加载的方式。坝基作为已存在的部分( 只具有初始 应力) ， 沥青混凝土心墙和拦河坝堆石体同步填筑。计算按坝 体施工填筑的先后顺序分 9级模拟， 坝体填筑完成后 ， 分 8级 施加荷 载。 5 计算结果分析 5 1 坝体主应力分析 根据有限元模 型， 对沥青混凝土心墙堆石坝进行 有限 元数值模拟计算 ， 计算分为竣 工期和满蓄期 两种工 况。坝 体主应力计算等值线见图 1一图 4， 坝壳及心墙应力最大值 见表 2， 可以看出， 沥青t 昆凝土心墙中没有 出现拉应力。无 论是在竣工期 ， 还是在满蓄期 ， 堆石体坝壳大 、 小主应力最 大值均出现在坝底部 中轴线两侧。满蓄期上游坝壳的大、 小主应力比竣工期小。原 因是 ， 满蓄期上游坝壳受浮力影 响堆石体坝壳有效容重减 小 ， 因此坝壳 大、 小主应力均 减 小 。满蓄期大 、 小主应力等值线分布规律与竣工期相似 ， 但 下游坝体应力最大值稍有增大， 心墙上、 下游两侧过渡料应 力存在不连续现象。 图 1 竣 工期坝体大主应力等值线( MP a ) 图 2 满蓄期坝体 大主应 力等值线 ( MP a ) 图 3 竣工期坝体小主应力等值 线( MP a ) 图 4 满蓄期坝体小主应力等值线( M P a ) 表 2坝壳及心墙应力最大值 5 2 沥青混凝土心墙主应力比分析 心墙轴线主应力比沿坝高分布见图 5 ， 可以看出， 随着坝高 的增加， 沥青混凝土心墙的主应力比有增大趋势， 表明沥青混 凝土心墙具有较强的柔性和适应变形能力。在竖向压应力作 用下， 心墙将会产生较大的水平压应力 ， 对于防止陡峭岸坡被 拉开是非常有利的， 同时表明沥青混凝土心墙材料的配合比是 合适的 。 昌 枢 主应力比f M P a 图5 心墙轴 线主应 力比沿坝高分布 5 3 沥青混凝土心墙水力劈裂判别 心墙上游侧水压力大于心墙竖向应力时， 心墙上游表面将 出现主应力方向偏转 ， 并在上游侧出现拉裂破坏区， 导致沥青 混凝土心墙上游侧出现裂缝并与库水位连通， 将会导致水力劈 裂。满蓄期， 沥青混凝土心墙上游坝面应力及水压力沿坝高分 布见图6 ， 可以看出， 心墙竖向应力均大于水压力， 沥青混凝土 心墙不会发生水力劈裂。 g 柜 竖向 应 力、 水压 力 M P a 图 6 心墙上游坝面竖 向应力及水压力沿坝高分布 ( 下转第 1 3 8页) 1 3 5 人 民 黄 河2 0 1 2年第 5期 1 3 0 ( S 0 + 1 ) ； 当 S 0 ( S o +z ) =0 3时， H=1 5 0 ( S 0 +1 ) ； 当 S 0 ( S 0 +Z )= 0 5时， H=1 7 0 ( S 0 +1 ) ； 当 S o ( S 0 +1 )=0 8时 ， 4=1 8 5 ( + 2 ) 。 观测水位稳定后抽水井流量 Q为 1 2 0 0 m d ， 1 观测井到 抽水井的距离为 1 0 m， 2 观测井到抽水井的距离为 3 0 m， 抽水 井半径为0 1 5 m。试验井深为 2 0 m， 滤管进水长度为5 m， 地 下水水位为 1 0 9 2 7 m， 打井处高程为 1 1 1 0 0 m， S 为 1 3 2 7 m， 即S o ( S 。 +1 ) 为 0 7 2 6 3 ， 采用内插法得到有效含水层厚度 日 为 3 3 1 3 m。根据观测记录， 1 观测井水位降深 1 7 1 m， 2 观测 井水位降深 0 5 4 m， 抽水井水位降深 2 0 6 m， 计算出， k 、 ： 、 k 分别为 7 3 O 6、 2 0 8 3 、 5 5 8 m d ， 渗透系数 k为 3 3 1 6 m d 。 4 贾鲁河倒虹吸管身段降水方案 通过抽水试验求得渗透系数后， 通过试算确定基坑合适的 降水布置方案。贾鲁河倒虹吸管身段基坑长 1 7 4 2 5 m， 基坑宽 5 3 0 3 m， 基坑中心水位降低值 S 为 8 0 2 m。设计井深为 1 7 m， 即 S n 为 1 0 2 7 m， 滤管长度 1 为 5 m， S o ( S 。 + z ) 为0 6 7 2 6 ， 采用 内插法得到有效含水层厚度 日为2 7 2 8 m。渗透系数k为3 3 1 6 m d ， 管井数 n为2 2 ， 管井半径r 为0 1 5 m。根据设计图纸、 施工 导流方案， 管井包围典型断面见图 1 。根据设计图纸， 贾鲁河倒 虹吸管身段长度为 1 7 4 2 5 m， 据此， 管井包围面积 F=1 7 4 2 5 53 0 3：9 2 40 48 m。 蝴部 一 一 图 1 管井包围典型 断面 ( m) 影响半径R= 1 9 5 S m ， 经计算R为4 7 0 4 6 m。单井涌水量 为 r 2 h S 0 2T 1 q = l_36 6叫 rtrx o L 1 1 J 凡 n 0 s= 手 4 T _ 0 6 ( 6 ) h=S 0 + ( 7 ) 式中： g为单井涌水量； n为管井数 ； A为系数 ， z ( 2 T ) 与 A的关 表 3 l ( 2 T) 与 A的关系 经计算 ， 单井涌水量 q为8 2 0 5 2 m d ， 总用水量Q=n q ， 即 Q为 1 8 0 5 1 4 4 m d 。基 坑 周 长 = 2( 1 7 4 2 5+5 3 0 3 )= 4 5 4 5 6 m， 布置管井 2 2眼， 从而得出管井间距为2 0 6 6 m。 根据以上计算过程， 确定贾鲁河倒虹吸管身段降水方案： 贾 鲁河左、 右岸各布置9眼降水井， 上下游围堰各布置2眼降水井， 共布置2 2眼降水井。降水管井深度为 1 7 m， 滤管长为 5 m。 川。 。 参考文献： 1 康世荣， 陈东山 水利水电工程施工组织设计手册 M北京： 中国水利水 电出版社 ， 1 9 9 0 2 白顺果 土力学 M 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 9 基 坑 当 量 半 径 为= ， 经 计 算为5 4 2 3 m 。 抽 水 【 责 任 编 辑吕 艳 梅 】 ( 上接第 1 3 5页) 6 结语 根据筑坝材料的室内三轴试验 ， 得到邓肯 一张模型的参 数， 对某沥青混凝土堆石坝进行了有限元数值模拟计算， 对坝 体主应力和心墙轴线主应力比的计算结果进行了分析 ， 结果表 明： 堆石体坝壳大 、 小主应力最大值均出现在坝底部中轴线两 侧； 满蓄期上游坝壳的大、 小主应力比竣工期小 ； 满蓄期大、 小 主应力等值线分布规律与竣工期相似， 但下游坝体应力最大值 稍有增大， 心墙上 、 下游两侧过渡料应力存在不连续现象 ； 随着 坝高的增加， 沥青混凝土心墙的主应力比有增大趋势。并根据 计算结果对心墙的水力劈裂进行了判别， 结果表明， 心墙竖向 应力均大于水压力， 沥青混凝土心墙不会发生水力劈裂。 参考文献 ： 1 祁世京 土石坝碾压式沥青混凝土心墙施工技术 M北京： 中国水利水电 1 38 出版社 ， 2 0 0 0 2 胡春林， 胡安明， 李友华 茅坪溪土石坝沥青混凝土心墙的力学特性与施工 控制 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 9 ) ：7 4 2 7 4 6 3 K h e d A n w a r K a n d i l A n M y t i e M a n d E x p e r i m e n t a l S t u d y o f F i e l d C o m p a c t io n o f A s p h a l t M i x e s D O t t a w a ： C a r l e t o n U n i v e r s it y ， 2 0 0 2 4 王为标 ， 申继红 中国土石坝沥青混凝土心墙简述 J 石油沥青， 2 0 0 2 ， 1 6 ( 4) ： 2 7 3 1 5 王为标， 孙振天， 王文进， 等 碾压混凝土坝的沥青混合料防渗结构 J 水 利水电技术 ， 2 0 0 0 ， 3 1 ( 1 1 ) ： 1 9 2 2 6 张波 深覆盖层沥青混凝土心墙坝动力特性分析 J 水资源与水 _ I： 程学 报 ， 2 0 0 6， 1 5( 4 )： 4 5 5 0 7 邓铭 江 ， 于海鸣 ， 李湘权 新疆 坝工技术 进展 J 岩土工 程学报 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 2) ： 2 6 3 1 8 毕庆涛 ， 王平易 不 同蓄水方案对高土石坝应力变形的影响 J 人民黄河 ， 2 0 0 9 3 1 ( 7) ： 4 34 5 【 责任编辑吕艳梅】