深厚覆盖层上沥青混凝土心墙土石坝的应力变形特征.pdf

第 3 7 卷第 4期 2 0 1 1 年4月 水 力 发 电 深 厚 覆 盖 层 上 沥 青 混 凝 土 心 墙 土 石 j r t 应 力 变 形 特 征 丁树 云 毕 庆涛 1 , 2 ( 1 华北水 利水 电学院 ，河南郑州 I 4 5 0 0 1 1 ； 2 河海大学岩土力 学与堤坝工程教 育部 重点实验 室，江 苏南京2 1 0 0 2 9 ) 摘 要 ：由于深厚覆盖层具有 一定的可压缩性 ，修建 在其上的沥青混凝 土心墙坝坝体会发生沉 降 ，且最大沉降位于 距坝顶 2 3坝高处 ；受坝体 的影响 ，坝基深厚覆 盖层也会 向上 、下游 发生水平位 移 ；沥青混凝 土心墙存在 明显的应 力拱效应 ，蓄水后 减弱。以在 1 2 0 m 深覆盖层上修建 坝高 1 0 0 m沥青混 凝土心墙坝 的有 限元分 析为例 ，探讨了沥青 混凝 土 心 墙 土 石 坝 在 深 厚覆 盖层 上 的 应 力 变 形 特 性 。 关键词 ：深厚 覆盖层 ；应力 变形 ；有 限元 ；沥青混凝土心墙土石坝 S t r e s s a n d De f o r ma t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f Emb a n k m e n t Da m wi t h As pha l t Conc r e t e Cor e W a l l Founde d o n De e p Ove r b ur de n D i n g S h u y u n ， B i Q i n g t a o f 1 N o r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 l ， He n a n ， Ch i n a ； 2 Ke y L a b o r a t o r y o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n f o r G e o me c h a n i c s a n d E mb a n k me n t E n g i n e e r i n g ， H o h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e c o mp r e s s i b i l i t y o f d e e p o v e r b u r d e n wi l l l e a d t h e s e t t l e me n t o f e mb a n k me n t d a m wi t h a s p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l f o u nd e d o n i t ，a n d t he ma xi mum s e t t l e me n t i s l oc a t e d i n t he p l a c e s wi t h a d i s t an c e o f 2 3 d a m h e i g h t t o d a m c r e s t Th e d e e p o v e r b u r d e n w i l l a l s o a p p e a r h o ri z o n t a l d i s p l a c e me n t t o u p p e r a n d d o wn s t r e a ms a ft e r d a m c o n s t r u c t i o n 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 h a s o b vi o us a r c hi n g e f f e c t wh i c h wi l l we a ke n a f t e r s t o r a g eTh e s t r e s s a nd d e f o r ma t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f a 1 0 0 i n h i g h e mb a n k me n t d a m w i t h a s p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l f o u n d e d o n 1 2 0 m - d e e p o v e r b u r d e n a r e a n a l y z e d h e r e i n b y fin i t e e l eme n t me t h o d Ke y W o r d s ： d e e p o v e r b u r d e n ；s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n；fin i t e e l e me n t me t h o d；e mb a n k me n t d a m wi t h a s p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l 中图分类号 ： T V 6 4 1 4 1 ；T V 3 1 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 0 4 3 - 0 3 目前 ，对 在 深 厚 覆 盖 层 上 修 建 大 坝 的 研 究 ， 越 来 越 受 科 研 和 工 程 界 的 重 视 。 3 0 0 m 级 高 土 质 心 墙 坝 的 应 力 变 形 分 析 ， 已 经 取 得 了 较 多 研 究 成 果 ； 对 沥 青 混 凝 土 心 墙 高 土 石 坝( 1 0 0 m) 的 应 力 变 形 特 征 ，研 究 成 果 较 少 I 1 _2 】 。 为 此 ， 本 文 针 对 某 沥 青 混 凝 土 一 已 、 墙 高 坝 进 行 有 限 元 分 析 ， 研 究 建 在 深 厚 覆 盖 层 上 的 坝 体 的 应 力 变 形 特 性 为 其 他 类 似 T 程 提 供 参 考 。 1 有限元模型 某 沥 青 混 凝 土 心 墙 土 石 坝 最 大 坝 高 1 O 0 t n， 坝 顶 宽 度 1 0 m。 心 墙 最 大 高 度 9 7 m， 厚1 0 m。 上 、 下 游 坝 坡 均 为 1 ： 2 0： 下 游 坝 基 设 置 厚 2 0 m 的 水 平 反 滤 层 。 坝 址 区 河 床 覆 盖 层 钻 孔 揭 露 厚 度 为 5 5 1 2 0 13 3 地 层 结 构 由 下 而 上 总 体 上 为 含 漂 砾 卵 石 层 、 含 砂 卵 砾 石 层 、 含 漂 砾 卵 石 层 和 粉 砂 层 4大 层 。 坝 基 防渗 采 用 混 凝 土 防渗 墙 结 合 灌 浆 帷幕 形 式 ，防渗 收稿 日期 ：2 0 1 0 一 l 0 1 5 基 金 项 目 ： 华 北 水 利 水 电 学 院 高 层 次 人 才 引 进 科 研 基 金 项 目 ( 0 0 1 2 5 7 ，0 0 1 2 7 3 ) ；河 海 大 学 岩 土 力 学 与堤 坝 丁 程 教 育 部 实 验 室 开 放基金项 目 ( G H 2 0 0 9 0 2 ) 作者简介 ：丁树云 ( 1 9 8 1 -) ，女 ，河南开封人 ，讲师 ，博士 ，主 要从 事粗粒土试验及土石坝数值分析方面研究 墙 最大 深度 为 1 0 0 m厚 1 0 m。坝体及 坝 基典 型横 剖 面 见 图 1 ，上 游 围 堰 作 为 坝 体 的一 部 分 。 上游过渡层 劫 青 混 矬 土 心 墙 、 件 _ 、及 德 层 = _ 塑三 l 堑 堕 l1 、 层 一 含i磊 =二 基岩 竺 一 图 1 沥 青 混凝 土 心 墙 坝 最 大横 剖面 对 坝 体 按 结 构 、 材 料 进 行 单 元 划 分 以 反 映 建 筑 物 主 要 结 构 。 在 研 究 地 质 结 构 的 基 础 上 ，对 坝 基 进 行 概 化 处 理 ， 以 反 映 主 要 的 地 质 构 造 。单 元 网 格 大 部 分 为 四 边 形 ，少 数 采 用 三 角 形 单 元 过 渡 。 在 混 凝 土 结 构 周 围 设 置 了 无 厚 度 古 德 曼( G o o d ma n ) 接 触 面 单 元 。底 部 边 界 按 竖 向 固 定 约 束 ，上 、 下 游 地基 边 界 按水 平 方 向固定 约 束 。共 剖 分 1 6 4 7个 结 点 ，1 6 0 7个 单元( 见 图 2) 。 图 2 沥青混凝土心墙坝有 限元网格 2 模型参数与计算过程 2 1 模 型参数 沥青 混凝 土 心墙 土 石 坝 的有 限元 计 算 中 堆 石 料 、 沥 青 混 凝 土 心 墙 料 的 本 构 关 系 采 用 邓 肯 E B模 型 各 分 区 材 料 的 模 型 参 数 见 表 1 。 坝 基 防 渗 墙 、 底 座 混凝 土 、基 岩 按 线 弹性 材 料模 拟 ，模 型参数 见 表 2 。为 防止 混 凝 土 与 土 石 接 触 处 出现 不 连 续 变 形 ，设 置 无 厚 度 Go o d ma n接 触 面 单 元 。其 模 型 参 数 见 表 3 。 表 2坝 基 混凝 土 及 基 岩 参 数 2 2计 算过 程 有 限 元 计 算 时 采 用 分 级 加 荷 对 大 坝 施 工 及 蓄 水 过 程进 行 模 拟 。先 填 筑 围堰 ，然 后 填 筑 坝体 。共 分 1 7级 荷 载 计 算 覆 盖 层 作 第 1级 荷 载 ， 围 堰 分 2 级 荷 载 ，坝 体施 工 到 坝顶 分 9级荷 载 ，蓄水 至 正 常 水 位 分 2级 加 载 ，降 低 水 位至 死水 位 1级荷 载 ，然 后 再 升 降 一 个 循 环 ， 即 2级 荷 载 。 3 应力变形特征分析 土 石 坝 有 限 元 计 算 及 成 果 整 理 时 按 照 土 力 学 惯例 ，正应 力 以压为 正 ，拉为 负 ；应 变 以压 缩为 正 ， 膨 胀 为负 。坐标 系取顺 河 向指 向下游 为 轴正 方 向 ， 竖 直 向 上 为 Y轴 正 方 向 。 3 1 坝体 应 力变 形 在 竣 工 期 及 蓄 水 期( 蓄 水 至 正 常 蓄 水 位 ) ， 坝 体 、地 基 覆 盖 层 、沥 青 混 凝 土 心 墙 的 应 力 变 形 的 特 征 值 见 表 4。竣 工 期 及 蓄 水 期 坝 体 发 生 的 累 积 沉 降 、 水平 位 移 、第 一 主 应力 及 应 力水 平 等值 线 分 布分 别 见 图 3、4。 从 图 3 a和 图 4 a可 以看 出 ，竣 工 及 蓄水 期 ，土 石 坝 沉 降 最 大 值 均 发 生 在 距 坝 顶 约 2 3坝 高 处 ， 竣 工期 的沉 降最 大值 发 生 在 心墙 内 ，蓄水 期 的沉 降 最 表 1 沥青混凝土心墙土石坝的模型参数 混凝土 ( 泥皮 ) 与覆盖层接触面 混凝土垫座与坝体堆石接触面 0 8 6 08 6 1 4 0 0 2 4 0 0 O-3 0 0 3 4 9 9 9 0 0 0 0 0 9 9 9 0 0 0 0 0 8 1 O 1 O 1 5 田W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 4 第 3 7卷第 4期 丁树云 ， 等： 深厚覆盖层上沥青混凝土心墙土石坝的应力变形特征 a 沉 降等值 线 ( 单位 ：c m) 、 ， a 沉降等值线 ( 单位： c m) b 水平位 移等值线 ( 单位：c m) c 第 主应力等值线 ( 单位 ： MP a )d 应 力水平等值线 图 3竣 工期 沥 青 混 凝 土 心 墙 土 石 坝 应 力 变 形 等 值 线 b 水平 位移等值线 ( 单位 ：c m) c 第一 主应力等值线 ( 单位 ： MP a )d 应力水平等值线 图 4蓄水期沥青混凝土心墙 土石坝应 力变 形等值 线 大 值 稍 微 偏 离 心 墙 向 上 游 。 从 表 4可 知 ， 土 石 坝 竣 工 期 内 累 积 沉 降 最 大 值 为 9 5 7 9 e m 占坝 高( 1 0 0 m) 的 0 9 6 ；蓄 水 后 ，坝 体 的最 大 沉 降 稍 有 增 加 ，为 9 7 3 7 C I I I ， 占 坝 高 的 0 9 7 。 从 图 3 b和 表 4可 知 ，在 施 工 期 内 ，上 游 覆 盖 层 向 上 游 移 动 ，最 大 水 平 位 移 为 5 7 9 c m；下 游 覆 盖 层 向 下 游 位 移 ，最 大 水 平 位 移 为 1 5 6 3 C l l l 。从 图 4 b可 知 ， 蓄 水 后 ， 坝 体 及 覆 盖 层 有 向 下 游 移 动 的 趋 势 坝体 向下 游 的水 平位 移 明显增 大 ，达 到 4 3 3 0 c m 从 图 3 c和 图 4 c可 知 ， 竣 工 期 土 石 坝 第 一 主 应 力 拱 效 应 明 显 心 墙 区 域 第 一 主 应 力 比 坝 壳 堆 石 的 应 力 明 湿 低 许 多 ，蓄 水 后 这 种 应 力 拱 效 应 减 弱 。 另 外 ，从 图 3 c、4 c还 可 以 看 到 在 混 凝 土 垫 座 处 以 及 在混 凝 土 防渗 墙 插 入 基 岩 的 位 置处 。坝 体 及 覆 盖 层 的 应 力 分 布 出 现 了 应 力 集 中 现 象 。 同 时 处 于 混 凝 土 垫 座 下 面 的 局 部 土 体 单 元 应 力 极 小 。 从 图 3 d可 知 ，竣 工 期 坝 体 及 覆 盖 层 的 应 力 水 平 总体 不大 ，低 于 0 6 5 ；但 在 上 游 围堰 顶 部 及 坡 面 的 局 部 单 元 应 力 水 平 达 到 了 0 8 5左 右 。 由 图 4 d 可 以 看 出 ， 蓄 水 后 ， 由 于 库 水 压 力 作 用 心 墙 之 上 ，上 游 坝 壳 及 上 游 围 堰 的 第 三 主 应 力 急 剧 减 小 ， 而 第 一 主 应 力 变 化 不 大 ， 从 而 导 致 上 游 坝 壳 及 上 游 围 堰 的 应 力 水 平 显 著 增加 。相 反 ，心 墙 及 下游 坝壳 的应 力 水 平 有 所 减小 。图 4 d还显示 ，蓄水后 ，靠近 心墙的上游 坝体局 部 单 元 以 及 上 游 围 堰 的局 部 单 元 应 力 水 平 接 近 0 9 。 从 表 4还 可 看 出 ， 沥 青 混 凝 土 心 墙 竣 工 期 单 元 的 应 力 水 平 不 高 ，最 大 值 为 0 7 6，位 于 心 墙 的底 部 ； 蓄 7 1后 ， 由 于 7 1 荷 载 是 从 第 三 主 应 力 方 向 施 加 到 心 墙上 游 面 的 ，心墙 内第 三 主应 力 有 所 增 加 ，而第 一 主 应 力 变 化 很 小 ，从 而 导 致 心 墙 内 的 应 力 水 平 比 竣 工期 明显 降 低 ，蓄 水 后 心 墙 内 的应 力 水 平 最 大值 降 为 0 4 5 。 因此 ，竣 工 期 和 蓄水 期 心 墙 内应力 水 平 均 小 于 1 0，发 生 剪 破 的 可 能 性 不 大 ： 同 时 ，心 墙 内 无 拉 应 力 出 现 ，产 生 拉 裂 缝 的 几 率 较 小 。 3 2蓄水 升降 循环 对应 力 变形 的影 响 对 土 石 坝 进 行 两 次 蓄 水 升 降 循 环 有 限 元 计 算 ， 即 初 次 蓄 水 至 正 常 水 位 后 ， 降 水 至 死 水 位 ，然 后 再 升 至正 常水 位 ，再 降至 死水 位 。通过 计 算 比较 发现 ， 在 蓄 水 升 降 循 环 过 程 中 ， 土 石 坝 及 覆 盖 层 的 应 力 、 变 形 、应 力 水 平 分 布 形 态 与 初 次 蓄 7 1至 正 常 蓄 水 位 时 的 形 态 基 本 一 致 。 表 5是 蓄水 升 降循 环 过 程 中 ，坝 体 、覆 盖 层及 沥 青 混 凝 土 心 墙 应 力 变 形 特 征 值 。 由表 5可 知 ， 库 水 位 初 次 由 正 常 水 位 降 至 死 水 位 时 ，坝 体 最 大 沉 降 为 9 7 3 5 C II 1 ， 与 初 次 蓄 水 至 正 常 水 位 时 的 9 7 3 7 c m 基 本 一 致 ， 几 乎 没 有 变 化 ； 向 下 游 水 平 位 移 最 大 值 为 4 2 41 C I I I ，亦 与 初 次 蓄 水 至 正 常 水 位 时 的 4 3 3 0 e m 相 差 不 大 ； 向 上 游 水 平 位 移 最 大 值 为 3 9 0 c ：m， 与 初 次 蓄 水 至 正 常 水 位 时 的 3 8 1 c m 差 异 较 小 。 在 蓄 水 升 降 循 环 过 程 中 ，土 石 坝 及 覆 盖 层 的 应 力 变 形 特 征 值 变 化 差 异也 较 小 。 因此 ，库 水 升 降 循 环对 沥 青 混 凝 土 心 墙 土 石 坝 应 力 变 形 的 影 响 不 大 。 4 结论 由 于 深 厚 覆 盖 层 具 有 定 的 可 压 缩 性 坝 体 发 生 最 大 沉 降 的 位 置 会 向 下 偏 移 ，位( 下 转 第 9 4页 ) 3 独立变桨对叶片拍击力的影响 为 了减 小 风对 叶 片拍 击 力 的影 响 ，需 要对 每 只 叶 片 的 桨 距 角 进 行 独 立 的 控 制 ， 风 速 为 1 3 m s ，转 速 为 1 2 r mi n的 条 件 下 ，3只 桨 叶 的 桨 距 角 分 别 为 2 。 ，4 。 ，6 。 ，从 仿 真 结 果 可 以 看 出 桨 距 角 的 增 大 对 叶 片 的 拍 击 力 的 影 响 如 冈 1 2 Z 伯 图 1 2独立 变 桨 对 叶 片 拍 击 力 的影 响 4 结论 ( 1 )综合 比较 了基 于 C 经 验公 式与 基于 叶 素理 论 的 风 机 气 动 模 型 ， 通 过 分 析 两 种 模 型 构 架 思 想 和 仿 真结果 说 明 了基 于 叶素理 论 的风机 气 动模 型 应 用 于独 立 变 桨 的 正 确 性 。 ( 2) 在 基 于 叶 素 理 论 的 风 机 气 动 模 型 与 基 于 风 剪 切 塔 影 效 应 理 论 的 风 模 型 基 础 上 通 过 分 析 二 者 联 合 仿 真 的 结 果 ， 验 证 了 风 剪 塔 影 导 致 单 只 叶 片 ( 上 接 第 4 5页 ) 拍 击 力 的 1 P波 动 和 3只 叶 片 产 生 主 轴 转 矩 中 的 3 P 波 动 。 参考文献 ： 1 He i e r S G r i d I n t e g r a t i o n o f wi n d E n e r g y C o n v e r s i o n S y s t e m s M 1 9 9 8 2 叶杭冶 风 力发 电机组 的控 制技术 M 机 械工业 出版社 2 0 0 2 ： 5 3 3 3 3 李少林 ，张兴 ，谢震 ，等 双馈风力发 电系统 3次功率脉动 的 研究 J 电网技术 2 0 1 0 ，3 4 ( 4 ) ： 3 8 3 9 4 S o n g S H ， J e o n g I ； C ， O h J H， e t a 1 S i mu l a t i o n o f o u t p u t c h a r a c t e r - i s t i e s o f r o t o r h l a d e s u s i n g a h a r d wa r e i n- l o o p wind t u r b i n e s i mu l a - t o r J I E E E T r a n s 0 11 E n e r g y C o n v e r s i o n ， 2 0 0 5 ， 3 ( 6 ) ： 1 7 9 1 - 1 7 9 6 5 A n d e r s o n C R i c h o n J ， C a m p b e l l T J A n A e r o d y n a m i c Mo m e n t Co n t r o l l e d S u rfa c e f o r Gu s t L o a d Al l e v i a t i o n o n W i n d Tu r b i n e Ro t o r s J 1 E E E T R AN S A C q 、I O N S O N C O N T R O L S Y S T E MS T E C HN O L OGY 1 9 9 8 6( 5) ：5 7 8 5 8 0 6 D o l a n D S L ， L e h n P W S i mu l a t i o n m o d e l o f w i n d t u r b i n e 3 p t o r q u e o s c i l l a t i o n s d u e t o w i n d s h e a r a n d t o w e r s h a d o w J I E E E T r a n s o n En e r g y C o n v e r s i o n，2 0 0 6，2 1 ( 3) ： 71 7 - 7 2 4 7 G e y l e r M， C a s e l i t z P I n d i v id u a l B l a d e P i t c h C o n t r o l D e s i g n for L o a d R e d u c t i o n o n L a r g e Wi n d T u r b i n e s c y P r o c e e d i n g s o f E u r o p e a n W i n d E n e r gy Co n f e r e n c e 2 0 0 7 ：1 4 8 董萍 ，吴捷 ，杨金明 ，等 风力发 电机组 建模研究 现状 J 太 阳 能 学 报 2 0 0 4 ，2 5 ( 5 ) ： 6 1 3 6 1 5 9 V a n B ld a r s G E ， B o n g e r s P M M F l e x i b l e w i n d t u r b i n e mo d e l v a l i d a t i o n J Wi n d E n g i n e e r i n g ，1 9 9 2 ， l 6 ( 4 ) ： 2 4 7 2 5 6 1 0 Mu lj a d i E ， B u t t e r f i e l d C P P i t c h C o n t r o l l e d V a r i a b l e - S p e e d Wi n d T u r b i n e G e n e r a t i o n J I E E E T r a n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s ， 2 0 0 1 ， 3 7( 1) ：2 4 0 2 4 6 ( 责任 编辑高 瑜 ) 表 5库水 位 升 降 循 环 下 的坝 体 应 力 变 形 特 征 值 于 距 坝 顶 约 2 3坝 高处 ； 同 时 ，坝 基 深 厚 覆 盖 层 受 坝 体 的 影 响 ，也 会 向 上 、下 游 发 生 水 平 位 移 。 与 粘 土 心 墙 土 石 坝 一 样 。 沥 青 混 凝 土 心 墙 坝 也 存 在 明 湿 的 应 力 拱 现 象 ， 心 墙 的应 力 比 坝 壳 堆 石 的 席 力 低 ， 不 过 蓄 水 后 这 种 拱 效 应 减 弱 ； 蓄 水 后 ， 由 于 库 水 压 力 作 用 在 心 墙 上 ，从 而 导 致 上 游 坝 壳 及 上 游 围 堰 的 应 力 水 平 增 大 ，沥 青 混 凝 土 心 墙 及 下 游 堆 石 的 应 力 水 平 明 降 低 。 另 外 ，坝 体 的 应 力 变 形 分 布 特 征 受 水 田W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 4 位 升 降 的影 响 不 大 。 参考文献 ： 1 徐 晗 ，汀 ： 明元 ，等 深厚覆盖 层 3 0 0 i n级超 高土质心墙 坝应力 变形 特征 J 岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 ( t ) ： 6 4 6 8 2 温 州，邵磊 深厚覆盖层 3 5 0 m 级心墙堆石 坝动强度计算 分析 J i 峡大学学报 ( 自然科学版 ) ，2 0 0 9 ，3 1 ( 2 ) ： 3 6 3 9 ( 责任 编辑杨健 )