心墻堆石壩應(yīng)力-變形分析

水庫(kù)是發(fā)展最快的水庫(kù)類型。從20世紀(jì)40年代到現(xiàn)在，它已經(jīng)使用了60多年。目前仍然是高土石壩的主流壩型,特別是200m以上的高土石壩,無(wú)一例外地均選用這種壩型。如:云南糯扎渡土質(zhì)心墻堆石壩,最大壩高為261.5m;前蘇聯(lián)羅貢心墻土石壩,壩高335m(1995年建成是迄今最高的土石壩)。土質(zhì)心墻與斜心墻堆石壩在承受靜力和動(dòng)力荷載時(shí)表現(xiàn)有所不同,可以適用不同的條件。在工程實(shí)踐中幾乎每個(gè)心墻壩工程均會(huì)進(jìn)行心墻和斜心墻兩種方案的比選,因此,分析比較這兩種壩型的特點(diǎn),總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律,為方案比選提供理論依據(jù)具有重要的實(shí)踐意義。本文結(jié)合山西某新建水庫(kù)大壩土質(zhì)心墻和斜心墻堆石壩的靜動(dòng)力特性數(shù)值分析成果,對(duì)這兩種壩型在靜力與動(dòng)力作用下應(yīng)力與變形的特性進(jìn)行了對(duì)比分析,得出了一些有益的結(jié)論,可以為類似工程提供參考。1壩體靜電力確定該工程設(shè)計(jì)總庫(kù)容3.92億m3,正常蓄水位以下庫(kù)容為2.79億m3,屬于大(2)型二等工程,主要建筑物為Ⅱ級(jí)。壩頂高程為763.8m,最大壩高為72.2m,壩頂長(zhǎng)度為637m,正常蓄水位為759.0m,工程抗震設(shè)計(jì)烈度為7度。工程設(shè)計(jì)中提出兩個(gè)方案,即:土質(zhì)心墻堆石壩和土質(zhì)斜心墻堆石壩。為了比較兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)兩種壩型進(jìn)行了有限元?jiǎng)屿o力分析。靜力計(jì)算中的本構(gòu)關(guān)系選用鄧肯-張非線性模型,用中點(diǎn)剛度法逐級(jí)求解;動(dòng)力計(jì)算中選用哈丁-德聶維契(Hardin-Drnevich)等效粘彈性模型反映土體的動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系,用徐志英孔壓增長(zhǎng)模型反映動(dòng)力作用下飽和土體的孔隙水壓力變化規(guī)律,用集中質(zhì)量法得到質(zhì)量矩陣,用瑞利法得到阻尼矩陣。動(dòng)靜力計(jì)算參數(shù)由壩體各種填筑材料的強(qiáng)度、變形特性專門試驗(yàn)研究成果確定,如下表1、表2所示。本工程覆蓋層較薄,基巖也較為完整,因此在進(jìn)行靜力計(jì)算中,在壩基下取一倍壩高的基巖和覆蓋層進(jìn)行計(jì)算,充分考慮了基巖、覆蓋層對(duì)壩體變形的影響;在動(dòng)力計(jì)算中,認(rèn)為地震波從基巖向上傳播,因此只考慮了覆蓋層,而不將基巖納入計(jì)算范圍之中。2靜力計(jì)算結(jié)果的分析2.1壩體結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律最大壩高斷面斜心墻壩體竣工期的垂直方向變形等值線圖如圖1所示,變形矢量圖見圖2所示。而相應(yīng)的心墻方案竣工期壩體的垂直變形等值線圖和矢量圖分別如圖3、圖4所示。計(jì)算竣工期壩體的變形實(shí)際上是壩體整個(gè)填筑期的總的變形量,由于壩體材料較軟,計(jì)算得到的總的沉降變形量較大。斜心墻方案中垂直變形中間大兩邊小,在壩體上部垂直變形的等值線基本上是一條垂線,說(shuō)明該部分壩殼土體本身變形較小,基本隨心墻土向下作平行移動(dòng)。這充分說(shuō)明上游壩殼土體是隨著心墻土體的變形而變形,對(duì)心墻有壓縮作用。這種向下座的作用在壩頂以下4/5以上的土體中表現(xiàn)的較為明顯,上游壩殼對(duì)心墻的壓縮作用在斜心墻壩中表現(xiàn)顯著。心墻竣工期的垂直方向壩體變形較為對(duì)稱,上下游變形基本一致,心墻變形較兩側(cè)堆石大的多,由于過(guò)渡料和反濾料的厚度較小,其對(duì)變形的減少不太明顯。計(jì)算得到最大垂直變形值較斜心墻小。2.2壩體應(yīng)力分布斜心墻在竣工期的有效主應(yīng)力σ1、σ3的分布等值線圖見圖5(a)、(b)所示。從圖中可以看出,壩體兩側(cè)應(yīng)力較大,而心墻內(nèi)部的應(yīng)力較小,最大垂直應(yīng)力發(fā)生在壩體底部為1.6MPa;心墻內(nèi)部的應(yīng)力分布極不均勻,其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩側(cè)的應(yīng)力,其中以壩頂下2/3倍壩高處應(yīng)力與壩殼應(yīng)力的差值最大。心墻在竣工期的有效主應(yīng)力σ1、σ3的分布等值線圖見圖6(a)、(b)所示。心墻的應(yīng)力分布較為對(duì)稱,兩側(cè)壩殼的小主應(yīng)力與心墻相差不大,壩體上部心墻的小主應(yīng)力還超過(guò)了兩側(cè)堆石,大部分部位壩心墻與壩殼的水平應(yīng)力一致。壩體大主應(yīng)力表現(xiàn)為心墻小,兩側(cè)大,兩者相差較大。說(shuō)明有“拱效應(yīng)”產(chǎn)生。心墻大心墻內(nèi)部主應(yīng)力與兩側(cè)壩殼的差值較斜心墻大,“拱效應(yīng)”較為明顯?？偟膩?lái)看,兩種壩型靜力情況下的變形、應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。斜心墻由于心墻上游坡度較大,壩殼隨心墻的變形而變形,不具備產(chǎn)生“拱效應(yīng)”的條件;而心墻卻存在“拱效應(yīng)”產(chǎn)生的條件,對(duì)心墻的抗裂不利。斜心墻壩變形較大,上游過(guò)渡料下部有應(yīng)力集中區(qū),以及心墻與反濾料可能存在相互錯(cuò)動(dòng)等缺點(diǎn),也應(yīng)該充分地考慮。3基巖加速度分析由于本工程與小浪底水利樞紐距離較近,兩者相距不到150km。其周圍300km之內(nèi)的斷裂帶主要有:太行山東麓通過(guò)磁縣-林縣-焦作的斷裂帶,中條山南麓通過(guò)亙曲-平陸的斷裂帶,封門口大斷裂帶(通過(guò)亙曲-濟(jì)源),汾河陸槽斷裂(通過(guò)洪洞-臨汾)。這些斷裂帶是本地區(qū)發(fā)震區(qū)的地質(zhì)背景。因此,本工程與小浪底水利樞紐的地震發(fā)震區(qū)基本一致,只是兩者分布于封門口大斷裂帶的兩側(cè),與各斷層距離不同而已。地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)兩者地質(zhì)構(gòu)造也基本類似,因此,將小浪底水利樞紐使用的基巖地震加速度曲線作為本工程計(jì)算基巖地震加速度曲線的樣板。采用seed提出的方法,對(duì)上述地震曲線進(jìn)行折算使之地震加速度最大值與設(shè)計(jì)地震加速度相等即0.1g,折算后的加速度過(guò)程曲線作為計(jì)算加速度曲線,其波形見圖7所示,其地震持續(xù)時(shí)間為15.7s。計(jì)算中假定地震慣性力是沿水平方向作用于基巖上,而地震波從基巖向上傳播。3.1心墻壩地震慣性力的作用兩個(gè)壩型在典型斷面計(jì)算得到的最大加速度反應(yīng)值見表3所示,從表中可以看出,兩種壩型地震加速度放大系數(shù)從壩基到壩頂由小到大分布,心墻壩較斜心墻壩的動(dòng)力加速度放大系數(shù)要大。說(shuō)明心墻壩將承受較大的地震慣性力的作用。斜心墻方案壩頂節(jié)點(diǎn)3與心墻中部節(jié)點(diǎn)117節(jié)點(diǎn)的地震加速度反應(yīng)曲線見圖8(a)、(b)所示。圖中表明,加速度最大值發(fā)生在振動(dòng)時(shí)間為2.0到4.2秒之間,與輸入地震曲線加速度變化規(guī)律一致;各節(jié)點(diǎn)加速度反應(yīng)最大幅值較輸入地震反應(yīng)波有滯后現(xiàn)象,且這種滯后在壩頂處較壩底要明顯;壩底加速度反應(yīng)曲線振動(dòng)頻率與地震波的頻率基本一致,而隨著壩高的增加振動(dòng)頻率逐漸降低,這無(wú)疑是壩體阻尼作用的影響。心墻方案加速度反應(yīng)規(guī)律與斜心墻基本一致,但幅值較大。3.2壩體振動(dòng)反應(yīng)各斷面計(jì)算最大水平動(dòng)位移反應(yīng)見表4所示,從表中可以看出,最大動(dòng)位移發(fā)生在壩頂,心墻和斜心墻兩個(gè)方案計(jì)算得到的最大水平動(dòng)位移相差不大。斜心墻方案壩頂節(jié)點(diǎn)193水平向振動(dòng)位移反應(yīng)曲線見圖9所示。從圖中可以看出,水平位移的振動(dòng)周期較低,是輸入地震加速度振動(dòng)周期的10倍左右,最大位移發(fā)生在4～5s之間。水平向振動(dòng)位移在地震結(jié)束后迅速趨于0值,說(shuō)明壩體振動(dòng)基本處于彈性振動(dòng)狀態(tài)。心墻動(dòng)位移反應(yīng)與斜心墻基本一致。從以上分析可以看出,心墻與斜心墻在承受動(dòng)力荷載的特性上相差不大,只是心墻最大地震加速度反應(yīng)值較斜心墻稍大,其承受的地震慣性力將大于斜心墻,對(duì)壩體動(dòng)力穩(wěn)定性不利。4壩體結(jié)構(gòu)格局的對(duì)比(1)從靜力的角度看,心墻與斜心墻兩種壩型的變形、應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。斜心墻由于心墻上游坡度較大,壩殼隨心墻的變形而變形,不具備產(chǎn)生“拱效應(yīng)”的條件;而心墻卻存在“拱效應(yīng)”產(chǎn)生的條件,對(duì)心墻的抗裂能力將造成不利影響。但是斜心墻壩存在壩體變形較大,上游過(guò)渡料下部有應(yīng)力集中區(qū),以及心墻與反濾料可能會(huì)發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)等缺點(diǎn),對(duì)其造成的不利因素也應(yīng)該充分地考慮。(2)從動(dòng)力角度看,心墻與斜心墻在承受動(dòng)力荷載的特性上相差不大,只是心墻最大地震加速度反應(yīng)值較斜心墻大