坝下岩埂对混凝土面板应力应变性状的影响(2016.3.22骥改)讲解

#坝下岩境对混凝土防渗面板应力应变性状的影响I凤不群1,马品非】新鵬兵团勘测设计院有限责任公司,新疆鸟鲁木齐830052：2.塔城地区水利水电勘袍设计院.新霾培誠834700）摘要:混凝上而板堆石坝靠近岸坡坝段受地形影响，可能会坐落在岩埴上，这将影响到而板的应力应变性状，将导致而板的开裂而失去防渗功能，通过玛热勒苏混凝土而板堆"坝的有限元分析计算，重点研充在蓄水条件下.坝下岩壇不同的处理方案对面板应力应变性状的影响，获得了不同岩坡开挖形态条件下的应力应变il•算结果31算结果表明，受岩坡开挖形态的影响，备开挖处理方案中.混厭上面板内的压应力均能满足强度要求，若岩壊完全保留在坝体内部时.而板中的拉应力则超过混凝上的抗拉强度,导致而板被拉裂而失去防治功能。岩坝清除范围将直接涉及到坝基开挖与坝体填筑工程量，影响到匚程造价&硏究成果为大坝优化设计提出了合理的建议及岩壇处理的有效措施。关键词:岩埋，混凝土面板堆石坝,应力应变1工程概况玛热勒苏水库位于额敏具境内的马拉苏河上，丄程山大坝、放水隧洞、导流冲砂隧洞、溢洪洞四部分组成，总库容为3254X10W,大坝最大坝高为79m,坝顶宽8.0m,坝顶全长250m,上游坝坡为1:1.6,下游坝坡为1:14坝顶设防浪墙。该水库属山等中型工程，坝商超过70m,大坝级別提高一级，为2级设计,永久性主要建筑物溢洪洞、导流冲砂隧洞、放水隧洞级别为3级，次要建筑物和临时建筑物级别均为4级。设计洪水标准为50年一遇，洪峰流量为271mVs,经水库调蓄削峰后，溢洪洞最大下泄流量218.12m3/S；校核洪水标准为1000年一遇，洪峰流量为577m%,经水库调蓄削峰后，溢洪洞最大下泄流量465.42m3/so该大坝0+150剖面位于岸坡处，坝体下部有该大坝0+150剖面位于岸坡处，坝体下部有岩坡分布（见图1）,使坝体填筑坝料厚度变化不均，这对位于其上的具有一定刚度的混凝上面板应力条件极为不利，有可能导致面板产生结构性断裂裂缝，失去防渗功能。本文通过二维有限元分析，重点研究在蓄水条件下，该剖面坝下岩埋不同的处理方案对面板应力应性状的影响°'作者简介：凤不群（1990-）,男.助理I：程师，研充方向为当地材料坝,E-mail：250897573@

mum0+150剖面2计算模型mum0+150剖面2.1坝体和坝基材料的本构模型坝体及坝基砂砾石坝料应力应变关系的模型选择合理与否，直接关系到对坝体「作性状评估准确性。大量的研究表明砂砾石坝料的变形，不仅随剪成力水平而变化，也与加载应力路径密切相关，应力应变关系表现出典型的非线性特性,II前国内外均通过坝料的三轴试验的旃应力与轴应变的关系来反映材料的北线性性质，比较多的选用邓肯■张模型，也冇一些工程采用南水模型。研究发现邓肯•张模型的变形计算结果的数值较南水模型偏大。本文采用邓肯•张的五”模型对混凝上而板堆石坝进行有限元分析。2.2混凝土面板、趾板的计算模型混凝土面板、趾板和基宕等刚性结构物的材料一律采用线弾模型进行应力应变分析。2.3接触的计算分析模型在而板堆石坝的结构中，存在刚性的混凝土面板与散粒体堆石之间的相互作用的接触面，在坝体自重和水荷载作用下，面板与堆石体之间将产生摩擦接触,并通过这种接触实现剪应力的传递，这是面板与堆石体之间最重要的接触。在面板堆石坝的应力陶变计算分析中，对坝体及坝基结构中存在各类不同材料的接触面（包括面板与垫层、趾板与地基等）均需正确的模拟，由于接触面两侧材料性质相差悬殊，在外力作用下，通常都会表现出与连续体不同的剪切滑移、脱开分离等特殊的变形特征，因此，在计算分析中需要釆用特殊的单元来加以模拟，以准确、真实的反映坝体各部位相互作用的特性.常用的代表性的接触面单元主要有Goodman无厚度接触而单元、Desai薄层单元及接触摩擦单元等。从实际工程的

观測和室内的试验中均可发现，在两种材料性质相差悬殊的介质之间，--般都会在材料性质相对较弱的一面形成一个薄层的“诃切带七因此，近年来的研究表明时这一“剪切带”采用薄层接触面单元来模拟，可能会更接近实际，国内多家研究单位提岀了采用薄层单元的模型C在本次的计算分析中，对面板与垫层相互作用釆用Goodman 度接触面单元来模拟。2.4混凝土结构物接缝的计算分析模型混凝上面板堆石坝，面板之间、面板与趾板之间均存在各种类型不同的接缝，如板间缝、周边缝等。接缝的变形是由于其下部的堆石体和坝基材料的变形所引起的，接缝变形的量值直接关系到大坝防渗系统的可靠性。II前面板坝的接縫通过止水结构来实现防渗■包括设在接缝丿氐部的金属出水和顶部的柔性壊料止水等,有些工程还补以设在外部的无牯性自愈淤堵填料止水。一般意义上讲，这些止水材料对接缝的变形不起任何约束作用，它仅仅是随接缝变形而变形，、与接縫受压时，接缝的止水不会失效；当接縫张幵、沉降和剪切位移超过了止水材料的允许值时，止水将失效导致血板坝产生渗漏。因此，在创建接缝模型时可以完全不考虑止水材料对接缝变形的影响，接缝变形的特性主要取决于坝体、坝基及接缝两侧的结构材料的应力应变特性，这样可以将接缝两侧缝面视为完全独立的缝面而无任何联系，缝面的变形取决于坝体及坝基的变形和缝面所属结构的变形。将接缝两侧缝血完全分离开为独立界血，剖分成冇限中度的单元，当接縫呈受拉趋势时，缝节点分离，两缝节点各自随接縫两边的结构单元而产生位移；当接缝受压时’缝节点重合。迪过这样设置后，可以较好的模拟接缝的拉、压变形，但对勢切变形特性则反映不够充分，然而人们更关注的是接缝的拉伸变形。通过il算两侧缝面上结点的各方向上位移差，依据各位移值的量级和止水材料的允许拉伸、和剪切值，判断接缝止水的丄:作性状，就可评价面板坝防渗的可靠性。本次研究就是基于这一模型进行的，将这一模型称之为“分离缝模型二3大坝（0+150）剖面二维有限元静力分析采用邓肯.张E*本构模型对马热勒苏混凝土面板堆石坝进行平面应力应变有限元静力分析，重点研究坝体、面板的工作性状。3.1大坝岩理处理方案根据设计所提供的典型剖面图纸可知：0+040剖面位于岸坡姓，坝体下部有一岩坡分布，便坝体填筑坝料中度变化不均，这对位于其上的具有一定刚度的混凝土面板应力条件极为不利,有可能导致力板产生结构性断裂裂缝,失去防渗功能。为此，特拟定三个方案研究面板的位移与应力性状，以评价岩埋对面板的影响和改进措施。第一方案：即原设计方案，如图2所示。第二方案：将坝体内岩埋上部削去22m,换填为坝料，使面板下坝体变形较为均匀，降低这部分坝体变形梯度，改善面板受力条件，见图E从施工的角度看，这一方案开挖和坝休填筑I：程星均较大，也增加了工程的投资。第三方案：将坝体内岩埋上部削去lOin,并将岩J更上游平行面板方进行削坡.保证垂直面板方向下填土厚度有Um，同时，将岩埋顶部削成直径10m的圆弧状。换填为坝料后，使面板下坝体变形较为均匀，降低这部分坝体变形梯度，改善面板受力条件。见图4。3.2大坝计算单元剖分坐标系竖向为Z轴，顺河向为Y轴』计算边界上下游方向取1.5倍坝高，坝基基岩取1倍坝高。基岩底部为不可移动边界，两侧边界上竖向可移动，水平向全约束「大坝有限元网格釆用四边形单元，在面板和垫层料之间设置薄层面单元:M-2=1在面板与趾板间的周边缝内设置分离缝单元「各方案有限元网格剖分如图3.1~3.M-2=1图3第二方案单元剖分（结点数：4967,单元数：4811）:汩4第三方案单元剖分图（结点数：5650,单元数：4911）:汩图5第三方案单元剖分图（结点数：5650,单元数：4911）3.3坝体填筑与蓄水加载分级釆用平面有限元模拟坝体填筑过程和蓄水过程，坝基砂砾石作为已存在部分（只具冇初始应力九坝体壊筑分为8级加载，蓄水分为3级加载，蓄水至最高水位，水压力以而力的形式作用在混凝土防渗面防上。本研究计算分为竣X期和满蓄期两本工况。3.4大坝材料计算参数马热勒苏大坝筑坝材料及坝房材料通过大型三轴试验，直接取得北线性计算参数。坝体各材料的计算参数汇总于表4・"表4-1 马热勒苏混凝土面板砂砾石坝计算拳数坝料(gen?)KhRfC(kp砂<PGFDKuilur主堆石2209300350.7412642.S0380.234.11860035垫层料2208700.310.7785.042.40.440.212.601740031薄层单元218623-0.240.508428.8混凝上240E=225OOu=020基岩243E=25OOOu=0214大坝二维有限元静力成果与分析4.1满蓄期坝体的位移

方案―方案二6满蓄期坝体沉降方案三方案—方案三方案―方案二6满蓄期坝体沉降方案三方案—方案三7满蓄期坝体水平位移图6、图7和表2分别给出了満蓄期坝下岩埋各处理方案坝体位移分布和量值。位移计算成果表明：三个方案对坝体沉降和向下游水平位移影响不大，但由于第一方案中有岩埴的存在，限制了坝体向上游产生位移，故其水平位移值较低,仅为其它两方案的25%；随7：坎的削除降位，减少了岩坎对坝体的约束，坝体向计算方案方案一方案二方案三坝体沉降位轉cm20.3221.2123.32水平位移cm向上游0.574.235.43向下游5.845.535.42而板挠度cm3412.983.22顺坡向最大位移cm0.551.10.88大主应力MPa最大值4.712.982.59最小值00026-0.0056-0.0031小主应力MPa最大值-4.27-3.87-4.37最小值.0.0094-0.0(17-0(X)8顺坡向应力MPa最大值2.452.622.41最小值-1.89-3.73-3.5X上游的水平也随之增大。IH表2 满蓄期面板应力与位移分析成果统计注：应力符号“+”为拉应力，不进行符号标记：七”为压应力°4.2面板的位移与应力图8、图9分别给岀了三个方案面板的挠曲线和面板法向位移矢量图。图8、图9分别给岀了三个方案面板的挠曲线和面板法向位移矢量图。图8满蓄期面板挠度方案—方案二方案三方案—方案二方案三1:19满蓄期面板法向位移矢量分布1:1in由图8和图9可知方案一面板的挠曲变形可分为三段，最大挠曲值为3.41CH1,发生在面板长度下部1/3范围内；面板於度上部的1/3范围挠曲变形值次之，其挠曲值为Z9cm：面板略度的中部U3段，受岩埋的顶托制约，其挠曲值最小，仅为0.38皿，儿乎是不产生挠曲，但这将引起该处产生应力集中.in方案二面板的最大扌凫曲值为2,98am发生在面板中段范围内；面板长度上部的1/3范围挠曲位移值为1.6皿：面板长度的下部1/3段,挠曲位移值为2.7皿对比图3和与4可知，由于将岩埋削减22m,减低岩比对面和的顶托作用,使得Ifli板的挠曲変形变得更趋向于均匀化，降低了面板挠度的变形梯度，改善了面板的变形条件。与方案二不同，由于岩壊开挖的体形不同，方案三中面板的挠曲变形大体上分为两段，最大挠曲值为3.22皿、发生在面板下端靠近趾板附近；面板氐度上部的2/3范围挠曲位移值为2,51cm.Ill图4可知.岩埋经削坡修圆后，减低岩埋对面板的顶托作用，使得面板的挠曲变形变得更趋向于均匀化，降低了面板挠度的变形梯度，改善了面板的变形条件。通过对岩煥三个处理方案的比较可知：方案一中岩埋的存在对面板的挠曲变形分布极不均匀，预示混凝土防渗面板的受力也不均匀；对岩埋挖除较多的方案二，挠度分布较为均匀，但其开挖了丄程量较大：经方案三对开挖体形进行了调整，相比方案二，开挖与壊筑工程量均有所降低，面板应力条件也将会得到改善。2面板顺坡向位移方案―

2面板顺坡向位移方案―图10满蓄期面板顺坡向位移图10口］■知：三个方案面板顺坡向位移的最大值均发生在面板的顶部「方案-中面板顺坡向位移的最大值为0.55cm:方案二面板臉坡向位移的最大值为1.1cm；h案三面板顺坡向位移的最大值为0幽cm-上述各方案顺坡向位移值与岩埴开挖量大小密切相关，方案一未进行岩坡开挖，坝料填筑层浇薄，在岩坡的约束下顺坡向位移最小；方案二对岩埋削除最多，坝料回填量最大，顺坡向位移值也就最大：方案三开挖量介于二者之间，顺坡向位移值介于前二者之间。3面板的大主应力图11和表2给出了三个方案满蓄期面极大主应力的分布。方案―方案―11满蓄期面板的大主应力分布由于受岩瑾的顶托影响，方案一面板的大主应力为拉应力，出现在面板的中部，其极值为4.71MPa,远超过C25的抗拉强度允许債，在该部位的面板再能被拉裂而失去防渗能力，因此，必须采取相应措施，消除岩埋的影响，改善面板的应力条件。方案二中血板的大主应力为拉应力，出现在靠近趾板的面板下部，其极值为2.98MPa,与方案一相比，由于对岩坎进行了削除，降低了岩坎的顶托影响，面板的最大拉应力仅为方案一的63,3%.改善了面板受力条件,降低了拉裂破坏机率。方案三中面板的大主应力也为拉应力，与方案二类同，出现在靠近趾板的面极下部，其极值为2.59MPa,与第一方案相比，最大主应力不仅作用位置发生了变化，而且，由于对岩坎进行了削除，降低了岩坎的顶托影响，面板的最大拉成力仅为方案一的55%,约为方案二的90%,改善了面板受力条件，降低了拉裂破坏机率。4面板的小主应力图12和表2给出了三个方案満蓄期面板小主应力的分布，小主应力全部为压应力。图12满蓄期面板的小主应力分布方案一中面板的小主应力以压应力为主，出现在面板的下部，面板中最大压应力极值为4,27MPa,远低于C25的抗年强度允许值。因此，在水荷载作用下，混凝土防渗面板不会产生受压破坏。在面板的中段底部，小主成力出现了较小的拉应力，其量值为0.083MPa,远低于面板混凝土的抗拉强度，这不会引起|Hi板的升裂。方案二中面板的小主应力以压应力，出现在面板的下部，面板中最大最应力极值为3.87MPa,远低于C25的抗压强度允许值「在水荷载作用下，混凝土防滲面板不会产生受压破坏。方案三中而板的小主应力以圧应力，也出现在面板的下部，面板中最大压成力极值为4.37MP办远低于C25的抗压强度允许值。在水荷载作用下，混凝上防渗而极不会产生受压破坏。5面板的顺坡向应力图13和表2给出了各方案满蓄期面板顺坡向应力的分布，与一般匸程不同，由于受岩埴的影响，在蓄水期方案一面板的顺坡向应力呈现岀拉、压应力相间分布的特点，在面板中间段岀现了一定的拉应力区，最大拉应力出现在岩坡顶上的面板中,其极值为-2.45MPa；最大压应力出现在靠近趾板附近的面板中，其极值为1.89MPao順坡向的拉应力最大值与大主应力最大值出现在面板同一点处，这反映面板存在可能被拉裂的风险。LULU方案二中顺坡向最大压应力出现在靠近血板附近的面板中，与小主应力的极值发生的位置相七其极值为3.73MP玳低于C25的抗压强度允许值，在水荷载作用下，混凝土防滲面板不会因顺坡向应力而产生受压破坏,顺坡向最大拉应力为2.62MPA,发生在面板的下縁；方案三中面板的顺坡向应力的最大圧应力出现在靠近趾板附近的血板中，与小主应力的极值发生的位置相、\其极值为3.58MPa°低于C25的抗压强度允许值。在水荷载作用下，混凝土防渗面板不会因顺坡向应力而产生受压破坏：顺坡向最大拉应力为-2.41MPa,发生在面板的下缘，相对于方案二，面板下填筑层较薄，面板下缘拉应力有所降低。表3给出了儿座混凝上血板堆石坝|Hi板位移与应力计算成果值统计，可以看岀玛热勒苏大坝岸坡坝段即便是采用方案三进行处理，由于受岩坡的约束，并采用变形梗量较高的砂砾石坝料填筑，貝面板顺坡向拉应力在统计的各大坝中是最大的，面板挠度是最小的。表3 几座混凝土面板堆石坝面板位移与应力计算值统计工程名称坝髙m而极挠度顺坡向蛾大压应力MPa顺坡向最大拉应力MPa法向位移cm相对挠度％洪家渡182446025382170芭蕉河11524.80227.2