雙江口高心墻堆石壩三維應(yīng)力分析

1樞紐工程施工雙江口水庫是河?xùn)|河流域水電工程的主要控制水庫，是河?xùn)|河流水電工程的重要工程之一。電站水庫正常蓄水位2500m,最大壩高314m,對應(yīng)庫容約27.32億m3,具有年調(diào)節(jié)能力,電站裝機(jī)容量2000MW,年發(fā)電量81.28億kW·h,設(shè)計(jì)枯水年枯期平均出力48.6萬kW,樞紐最大泄洪流量約8000m3/s。壩址區(qū)地震基本烈度為7度。其相關(guān)技術(shù)難度主要表現(xiàn)在:(1)超高水頭作用下深厚覆蓋層地基的防滲問題;(2)心墻和壩殼料的變形協(xié)調(diào)問題;(3)壩體的抗震問題等。該大壩建基面高程2196m,壩頂高程2510m,壩頂寬16m,上游壩坡為1∶2.0,下游壩坡為1∶1.9;防滲心墻頂寬4m,上下游坡均為1∶0.3,心墻上下游分別設(shè)兩層反濾層,上游兩層反濾層水平厚度均為4m,下游兩層反濾層水平厚度均為6m。上下游反濾層與壩體堆石之間設(shè)置過渡區(qū)。心墻巖石基礎(chǔ)面設(shè)置混凝土蓋板保護(hù)基巖面,防止?jié)B透水流對心墻基巖面的沖刷。大壩心墻底部的覆蓋層全部挖出以滿足防滲要求。堆石壩壩殼底部僅挖出覆蓋層頂部的松散表層,覆蓋層分三層:①含漂卵礫石層,②含泥的砂卵礫石層,③漂卵礫石層,覆蓋層中還夾有一些砂層透鏡體。本文通過建立三維有限元模型,主要研究了雙江口心墻堆石壩在施工填筑和蓄水作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和變形協(xié)調(diào)問題,并對工程施工提出了若干建議。2計(jì)算模型和參數(shù)2.1防滲墻節(jié)點(diǎn)的有限元模型心墻堆石壩壩體材料(心墻料、反濾料、過濾料、壩殼料)及壩基覆蓋層的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的非線性特征,其變形不僅隨應(yīng)力水平變化,同時(shí)還與加荷的應(yīng)力路徑相關(guān),反映這種非線性行為的本構(gòu)模型主要有彈性非線性模型與彈塑性模型,本次研究采用鄧肯-張(Duncan-Chang)E-B模型。在壩體填筑過程中,由于不同材料剛度差異,材料分界面之間可能出現(xiàn)相對滑動(dòng)趨勢,本文采用古德曼單元模擬混凝土防滲墻與周圍土體之間的泥皮、基巖與高塑性粘土之間的過渡材料。本文建立三維有限元模型時(shí)約定:沿心墻壩軸線上下游各取800.0m,即順河向x方向截取1600m;橫河向z由樁號0-505.0m取至樁號1+1173.68m,橫河向總長度1678.68m;鉛直向由高程2000m取至地表自由面。三維有限元網(wǎng)格共計(jì)剖分34280個(gè)節(jié)點(diǎn)和34111個(gè)單元見圖1。計(jì)算工況:工況1(竣工期):分級填筑至壩頂2510m。工況2(蓄水期):分級填筑至壩頂2510m,分期蓄水至2500m。蓄水及填筑過程如下:(1)第9年4月:壩高2385m,蓄水至2350m。(2)第10年5月:壩高2460m,蓄水至2425m。(3)第10年10月:壩高2480m,蓄水至2450m。(4)第11年10月:壩高2510m,蓄水至2500m。2.2壩體填筑及加載設(shè)計(jì)(1)本文在計(jì)算時(shí)采用的壩體材料基準(zhǔn)參數(shù)見表1。(2)壩體分層填筑荷載加載方法。本次三維靜力有限元分析時(shí),壩基和覆蓋層作為一次加載,只計(jì)入初始應(yīng)力場,考慮到上游圍堰先期填筑,將圍堰由下至上分3級填筑,壩體由下至上(2196.0~2510.0m高程)分為20層填筑。計(jì)算中采用“中點(diǎn)增量法”模擬每層填筑或分級加載。(3)水荷載加載方式。本文中水庫蓄水對壩體的作用,通過以下3個(gè)方面模擬:在心墻上游面施加水壓力;上游壩殼堆石、過渡層、反濾層浸水單元,按體力(濕重與浮重之差)施加鉛直向上浮托力,壩體心墻料變?yōu)轱柡腿葜?按飽重和濕重之差施加向下體力;砼防滲墻上游面及砼防滲墻上游側(cè)心墻底面施加水壓力。3計(jì)算結(jié)果和分析3.1施工期1水庫位移3.1.1堆石區(qū)和過渡層水平變位填筑結(jié)束的計(jì)算結(jié)果表明壩軸線以上區(qū)域一般向上游變位,壩軸線以下區(qū)域則向下游變形。河床剖面上下游堆石區(qū)及過渡層水平變位分布近于對稱。上游堆石區(qū)向上游變位,最大值順河向變位-0.873m,發(fā)生在節(jié)點(diǎn)18923,高程2350m;下游堆石區(qū)向下游變位,最大值約0.803m,發(fā)生在節(jié)點(diǎn)19456,高程2316m。3.1.2最大沉降位置最大沉降量一般發(fā)生在心墻中軸線上,距壩底約1/2壩高范圍,其量值隨壩高及壩基覆蓋層厚度增加而增加,最大沉降量約-2.907m(壩高的0.93%)(最大沉降位置見圖2)。河床壩段各剖面心墻上下游堆石區(qū)與過渡層沉降分布近于對稱,壩體中上部相同高程,心墻區(qū)沉降量明顯大于兩側(cè)堆石區(qū),壩體下部受砼基座頂托作用,混凝土基座上部的心墻沉降量明顯減小,沉降等值線近于水平分布。壩體垂直沉降變位存在明顯的“拱效應(yīng)”,即河床壩段同一高程心墻區(qū)沉降量明顯大于上下游過渡層和堆石區(qū)沉降量。3.2已固結(jié)體心墻內(nèi)拱力分布3.2.1壩體應(yīng)力(1)各橫剖面主應(yīng)力σ1分布規(guī)律一致,上下游壩殼淺部σ1值接近自重應(yīng)力,心墻內(nèi)存在一定拱效應(yīng),主應(yīng)力關(guān)于縱軸線基本呈現(xiàn)對稱分布。上下游σ1在建基面過渡層折角處形成一定應(yīng)力集中,量值達(dá)5.0MPa;河床剖面中上部高程心墻內(nèi)拱效應(yīng)明顯,下部高程受砼基座頂托作用,心墻內(nèi)拱效應(yīng)有所減弱。上游堆石區(qū)σ1極值3.0MPa左右,上游過渡層σ1極值-4.0~-5.0MPa,心墻內(nèi)σ1極值3.0MPa,下游過渡層σ1極值3.5MPa,下游堆石區(qū)σ1最大值3.0MPa。(2)各橫剖面小主應(yīng)力σ3分布規(guī)律同σ1比較,其分布較為平順。下部高程受砼基座頂托作用,心墻內(nèi)小主應(yīng)力σ1出現(xiàn)集中現(xiàn)象。由于基巖起伏不平,在基巖分界面上出現(xiàn)較多小主應(yīng)力σ3的應(yīng)力集中區(qū)。上游堆石區(qū)σ3量值0.2~1.4MPa,上游過渡層σ3量值0.2~2.4MPa,心墻內(nèi)σ3量值0.2~1.6MPa,下游過渡層σ3量值0.2~1.4MPa,下游堆石區(qū)σ3量值0.2~1.6MPa。心墻中軸線縱剖面和迎水面均不存在拉應(yīng)力區(qū)域,表明沿左右岸坡鋪填混凝土基座和高塑性粘土對改善應(yīng)力效果顯著。3.3水庫儲存期23.3.1心墻上游向下游變位蓄水期大壩的順河向水平位移發(fā)生很大變化,竣工期上游壩殼及過渡層基本向上游變位,然而蓄水期除中下部高程上游堆石區(qū)仍向上游變位外:壩體其余部分向下游變位,且向下游變位量值較竣工期普遍增大,極值的部位也普遍上移,一般出現(xiàn)在心墻上游面1/2壩高附近,河床中間剖面上游堆石特征節(jié)點(diǎn)水平位移-0.029m,比工況1的-0.873m大大減小;下游堆石特征節(jié)點(diǎn)水平位移0.968m,比工況1的0.803m增大20.5%。3.3.2壩上壩壩心墻最大沉降量降至合壩時(shí)代蓄水期大壩的沉降特性與竣工期基本相同,但因上游2500.0m高程范圍的壩殼浸水卸載作用,心墻的加載作用,以及水壓力作用的綜合影響,各部位發(fā)生輕微上抬,河床壩段心墻最大沉降量由竣工期-2.907m降至蓄水期-2.416m,減小16.9%。3.4儲水期條件2水庫突出3.4.1心墻內(nèi)特征節(jié)點(diǎn)第一、四核心應(yīng)力下降(1)蓄水期壩體大主應(yīng)力σ1分布規(guī)律與竣工期基本相似,一方面由于心墻上游面水壓力及心墻加載作用,蓄水期由于上游壩殼料浸水卸載及心墻底面向上的水壓力作用,上游堆石區(qū)及過渡層σ1量值略有減小。如河床壩段上游過渡區(qū)底部σ1極值由竣工期3.5~5.0MPa減小至蓄水期2.5~3.0MPa。心墻內(nèi)特征節(jié)點(diǎn)第一主應(yīng)力σ1由工況1的3.482MPa增至3.546MPa。上游堆石應(yīng)力減小,例如上游堆石特征節(jié)點(diǎn)σ1值為1.036MPa,比竣工期的1.582MPa下降0.546MPa(約34.5%)。下游堆石第一應(yīng)力σ1變化不明顯。(2)蓄水期壩體小主應(yīng)力σ3分布規(guī)律較竣工期有兩個(gè)大的變化,一是左右岸坡及河床壩段上游堆石區(qū)及過渡層內(nèi)小主應(yīng)力σ3顯著下降,另一個(gè)變化是河床壩段心墻內(nèi)σ3有所增大,例如,上游堆石應(yīng)力減小,上游堆石特征節(jié)點(diǎn)的σ3值為0.266MPa,比竣工期的0.675MPa下降0.409MPa;心墻內(nèi)特征節(jié)點(diǎn)第三主應(yīng)力σ3由工況1的1.775MPa增至2.217MPa。下游堆石第三應(yīng)力σ3變化不明顯。3.4.2堆石或過渡層(1)由于壩體上游堆石、過渡層浸水減載作用,主應(yīng)力量值減小,該區(qū)域應(yīng)力水平SL較竣工期提高,如左岸壩段中上部高程上游淺表層堆石SL值由竣工期0.45~0.75增至0.85;河床壩段上游堆石及過渡層SL值也由竣工期0.5~0.6增至0.5~0.9;右岸壩段上部高程上游堆石及過渡層SL值也由竣工期0.6~0.75增至0.7~0.8。(2)河床壩段,上游堆石在2430~2450m高程岸坡出現(xiàn)SL值為0.9的區(qū)域,意味著該處接近剪切極限狀態(tài),應(yīng)引起注意。壩體心墻下游過渡層與堆石區(qū)應(yīng)力水平SL值與竣工期基本相同。3.5壩體沉降量的確定從雙江口心墻堆石壩三維有限元計(jì)算結(jié)果與類似工程的對比結(jié)果可以看出,雙江口大壩作為300m級高壩,在竣工期的沉降量最大,但是沉降量占壩高的百分比在同類工程中最少;蓄水期水平方向的位移與壩高的相對比值在同類大壩中也處于較小位置。4壩段結(jié)構(gòu)差異對壩體應(yīng)力的影響(1)雙江口心墻堆石壩左岸較緩、右岸陡峭,岸坡約束作用強(qiáng)烈,空間作用顯著,基準(zhǔn)參數(shù)下三維計(jì)算的壩體竣工期最大沉降量-2.907m,出現(xiàn)在河床壩段心墻中部(1/3-1/2)壩高位置,壩體特征點(diǎn)向上游最大水平變位-0.873m,向下游最大水平變位0.803m,順河向位移關(guān)于壩軸線對稱性較好。蓄水期壩體最大沉降量減至-2.416m,河床壩段特征點(diǎn)向上游最大水平變位減至-0.029m,向下游最大水平變位增至0.968m。(2)由于空間約束作用和壩體心墻與壩殼之間堆石沉降差異影響,壩體應(yīng)力分布存在一定拱效應(yīng)?？⒐て趬误w應(yīng)力在上下游過渡區(qū)和反濾層存在梯度較大的現(xiàn)象,河床最大壩段特征節(jié)點(diǎn)第一主應(yīng)力σ1為3.482MPa,是蓄水期受心墻加載和水壓力作用所致,壩體應(yīng)力在上游過渡層變化梯度變小,而在下游過渡層變化梯度仍然較大,特征點(diǎn)第一主應(yīng)力σ1值為3.546MPa。(3)由于壩體上游堆石、過渡層浸水減載作用,小主應(yīng)力σ3量值