基于COMSOL_Mult...ics的混合坝接头数值分析_张丽娟.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，张丽娟，胡红胜，房伟，等基于 的混合坝接头数值分析水利科学与寒区工程，（）：基于 的混合坝接头数值分析张丽娟，胡红胜，房伟，刘雨（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 ）摘要：为保证工程设计的合理性和安全性，利用 对混合坝接头形式和防渗系统等进行三维有限元分析，考虑施工填筑路径、重力坝与土石坝接触的力学特性，通过系统的应力、变形和渗流场耦合计算，研究特征工况下混合坝相互作用的形态，分析大坝施工过程和主要控制工况下各结构的渗流、应力和变形情况。分析结果表明：混合坝的渗流、变形、应力、水力劈裂均满足要求。该分析方法可为混合坝工设计和施工提供参数和依据。关键词：；重力坝；土石坝；数值分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：张丽娟（），女，江苏沭阳人，高级工程师，主要从事水利工程规划设计工作。：。工程概况某拦河坝采用混合坝（重力坝黏土心墙堆石坝），主要建筑物为碾压混凝土重力坝，左岸连接段为黏土心墙堆石坝。混合坝坝顶高程 。坝顶总长 ，最低建基面高程 ，最大坝高 ，挡水坝坝底最大宽度 。在土石坝与重力坝的连接部位，黏土心墙堆石坝最大坝高 ，重力坝以插入式连接土石坝。混凝土坝与堆石坝有三个接触面，分别为坝轴线方向的左端侧面，上游面和下游面。三个接触面上均设有接触黏土，在上、下游面，心墙料外侧同样布置有反滤料。重力坝插入式刺墙顶宽 ，顶部沿坝轴线插入 ，上游面坡比 ，下游面坡比 ，侧面与黏土接触坡比 。混凝土刺墙上、下游面包裹有黏土心墙，接触面上、下游依次布置水平宽度 的高塑性黏土料，水平宽度 的黏土心墙防渗土料，宽的反滤层，宽的反滤层，坡度均为 ，反滤料上部为坝壳堆石料，坡比 。混凝土坝左侧面坡比 ，混凝土面接触带布置水平宽度 厚高塑性黏土，水平宽度 的黏土心墙防渗土料。沿垂直坝轴线方向设置 宽的反滤层，宽的反滤层。在黏土心墙和反滤料之间布置一层土工布，起双重反滤的作用，土工织物设置底高程 。土工布搭接宽度 ，保持自然松弛状态，以适应变形的发生。混合坝接头部位数值计算拦河坝采用碾压混凝土坝与黏土心墙坝联合挡水，接头处土坝上、下游面和左侧受边坡约束，右侧与重力坝约束，边界条件较为复杂；黏土心墙坝与重力坝刚度相差较大，在沉降和挡水时，易出现差异性变位和拉应力区；黏土心墙坝与重力坝三向对接，两者的作用呈空间分布；土体受应力场和渗流场共同作用，并相互影响；挡水时黏土心墙及与重力坝的接触处有效应力减小，可能形成渗漏通道或发生水力劈裂；因此两坝型接头部位的应力、变形和渗流情况十分复杂。根据枢纽布置和地质资料，建立“混合坝与土石联合挡水”三维有限元模型，见图，模型上下边界分别距坝体上下游坡脚线；左侧边界距坝头；右侧取一个完整的溢流闸墩段；底边界位于大坝建基面以下。图混合坝接头部位整体三维有限元模型 计算工况计算工况，工况：完建工况；工况：正常蓄水位工况；工况：校核洪水位工况；工况：地震工况（顺河向）及荷载组合见表。表计算工况及荷载组合计算工况上游水位下游水位作用类别自重静水压力扬压力孔隙水压力地震作用工况工况 工况 工况 本构模型及参数取值根据地质模型及试验参数，地基岩土材料参数取值见表；土石坝堆石料和反滤料材料参数见表；混凝土力学参数按规范取值，见表。表地基岩土材料计算参数土层名称密度抗剪强度 （）变形模量 渗透系数 泊松比材料模型黏土心墙 覆盖层 强风化层 线弹性弱风化层 线弹性表邓肯张模型试验参数名称（）（）破坏比弹性模量积数弹性模量指数体积模量积数体积模量指数堆石料 反滤料 表混凝土材料参数土层名称密度 弹性模量 渗透系数 泊松比材料模型坝体混凝土 线弹性挡墙混凝土 线弹性 边界条件地基底面和四周侧面均采用法向位移约束。计算成果与分析根据地形地质和坝体横断面等相关资料，对坝体截取了个特征断面（）进行分析。对坝基截取一个特征断面（）进行分析，断面位置见图。渗流设计洪水位工况和校核洪水位工况的上下游水位及水位差相差不大，渗流情况相近，因此仅计算水位差最大的正常蓄水位工况。正常蓄水位工况下，坝体及各剖面的总水头、压力水头等分布云图见图图，坝体内部接触面上浸润线处各点水力梯度见图。水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷图特征剖面位置示意图图剖面的总水头、压力水头云图图剖面的总水头、压力水头云图图正常蓄水位工况坝体各点水力梯度渗流计算结果表明：黏土心墙内部和接触面处的渗透坡降小于黏土心墙允许坡降（），不会发生渗透变形。坝基采用帷幕灌浆进行防渗。正常蓄水工况下，采用帷幕灌浆坝基渗流计算结果见图。图剖面的总水头、压力水头、水力梯度云图坝基渗流计算结果表明：帷幕灌浆的最大渗透坡降为 ，小于防渗材料允许渗透坡降，不会发生渗透变形破坏。变形正常蓄水位工况、校核洪水位工况和地震工第期张丽娟，等基于 的混合坝接头数值分析况的变形均为完建稳定的相对位移。挡水工况的坝体相对于完建工况有一定程度的上抬，且上游坝坡抬升较下游坝坡大。相对于完建工况，挡水时坝体渗流场得到加强，孔隙水压力产生向上的浮托力，且防渗心墙上游区坝体浸润线较下游高，上游区浮托效应较下游强。坝体在不同工况下的变形见表。表坝体在不同工况下的变形 计算工况坝体最大竖向位移坝体最大水平位移向上游向下游数值位置数值位置数值位置工况 坝高处 上游接触面中部 下游接触面中部工况 坝高处，偏上游工况 坝脚与较厚覆盖层交接处 坝高处，偏上游工况 坝高处，偏上游注：位移正负号与模型坐标系对应，即水平位移以向下游为正，竖向位移以向上为正；反之则为负。完建工况下，坝体位移见图图。图剖面的向、向位移云图图坝体剖面的向、向位移云图不同工况下坝体变形计算结果表明：完建工况坝体最大沉降量 ，小于最大坝高（），坝体运行中产生的变形不影响使用功能。应力坝体应力计算成果见表，连接坝段底部压应力见表。完建工况下，坝体应力云图见图 图。表坝体各部位应力成果表 计算工况堆石体应力反滤体应力黏土心墙应力第三主应力第三主应力第三主应力工况 工况 工况 工况 表连接坝段底部应力 计算工况连接坝段底部压应力上游左侧角点上游右侧角点下游左侧角点下游右侧角点工况 工况 工况 工况 图剖面的第一主应力、第三主应力分布云图水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷图 剖面的第一主应力、第三主应力分布云图坝体应力计算结构表明：坝体除表面、尖角和拐角处会产生局部较小的拉应力外，其余均为压应力，且各部位压应力均在材料强度允许范围内，不会发生破坏。水力劈裂水力劈裂是指水压力作用下裂缝的产生、发展并相互贯通最终形成裂缝的过程。接触面上任何一点的孔隙水压力大于接触面上该点的法向压应力时，则该点发生水力劈裂。本次计算考虑渗流的流场耦合作用，心墙应力计算成果中已经包含孔隙水压力，即心墙计算成果为计及孔隙水压力后的有效应力。接触面处的法向有效应力为压应力（负值），则不会发生水力劈裂；反之则会发生。计算结果表明：黏土心墙内部有效应力均为压应力，心墙内部不会发生水力劈裂；混合坝接触面的下游面顶部、端部存在较小拉应力区，拉应力区最大深度为 ，且均位于浸润线以上；接触面其他区均为压应力，因此在接触面处不会发生水力劈裂。结语黏土心墙坝和混凝土重力坝，一个软，一个硬，两者联合挡水是非常复杂的空间非线性流场耦合问题。为保证两种坝型变形协调，不发生拉开、接触冲刷破坏，需对接头部位进行计算分析。本文采用三维有限元法，使用 多物理场仿真软件对混合坝接头部位在主要控制工况下的渗流、应力和变形情况数值模拟，数值分析结果对坝工设计和施工具有较大参考价值。参考文献：相彪，杨家卫，杨华观音岩水电站混合坝插入式接头设计研究水力发电，（）：黄加球插入式混合坝接头部位有限元静动力分析红水河，（）：周伟，常晓林，周创兵，等观音岩水电站混合坝接头结构形式研究岩土力学，（）：李怀超混合坝刺墙部位渗流应力耦合作用有限元分析山西建筑，（）：宗佳敏，李小群，刘斯宏，等某水电站混合坝接头坝顶开裂成因分析水利水电技术，（）：，张友利，彭畅，何建新基于 的混合坝渗流应力场分析水利科技与经济，（）：，王朝辉，贾宇峰观音岩水电站混合坝接头部位水力劈裂分析水力发电，（）：，第期张丽娟，等基于 的混合坝接头数值分析