官帽舟沥青混凝土心墙混合坝三维非线性有限元分析

官帽舟沥青混凝土心墙混合坝三维非线性有限元分析

1坝体结构及坝体开挖官帽船水库位于四川省马边河上游，采用沥青路将水库与沥青路作为水库混合。坝顶高程679m,最大坝高109m,防浪墙顶高程680.2m,坝顶轴线长度为242.8m。坝体剖面与上游围堰结合,上游围堰需要考虑全年围堰和临时施工渡汛,并与施工组织有关。结合迎水侧坡分4级,在高程638m处设24.55m宽的马道,在高程619m处设3m宽的马道,在高程602.2m处设10m宽的马道,坡比由上至下分别为1:2、1:2.25、1:2.25、1:2.25。602.2m高程为与上游枯期围堰下游戗堤结合的坝体。背水侧坝坡分4级,在高程649m和619m处设5m宽的马道,在高程602m处设3m宽的马道,坡比由上至下分别为1:2.25、1:2.25、1:2.25、1:1.75。泄洪开挖泥岩料主要布设在坝体下游干燥区,坝体总填筑量260万m3。河床顺水流向坝体标准剖面见图1。2沥青混凝土心墙存在位移沥青混凝土心墙坝的防渗体系是柔性材料,即沥青混凝土。沥青混凝土是一种典型的粘弹性流变材料,具有较强的自愈能力,抗渗能力高,其渗透系数不大于1×10-8cm/s。沥青混凝土心墙相当于坝体内部一个悬臂梁,依靠坝体两侧坝壳料的向下重力产生的围压,尽量保持其沥青混凝土心墙的铅垂度,从而使其基本上处于受压状态,同时在一定程度上能承受相对较大的拉伸强度和弯曲强度。在蓄水时,受上游水推力作用,沥青混凝土心墙向下游产生位移,混凝土基座作为悬臂梁的固定端,坝顶位移最大,但受下游坝壳堆石料的阻挡作用,沥青混凝土心墙向下游位移较小,产生的拉应力均小于拉伸强度。由于沥青混凝土心墙上下游3m范围内设置级配较好、相对较硬的过渡料,形成拱作用,降低了心墙应力,有利于防止沥青混凝土心墙水力劈裂。为了保持蓄水后沥青混凝土心墙基本处于受压状态,下游一定范围内的堆石料刚度应较大,因而岩石的干密度、饱和抗压强度均应较高。但考虑竣工后,紧邻沥青混凝土心墙上游一定范围内的坝壳岩石饱和抗压强度较低,坝体自重变形较大,受下游坝壳堆石料的上游推力作用,沥青混凝土心墙悬臂梁将向上游产生位移变形。沥青混凝土心墙与两岸连接相对容易,可以利用心墙的自重压力,增加结合部位的抗渗能力。在影响沥青混凝土心墙应力较小、下游水平排水带以上的坝体干燥填筑区,填筑刚度较小、变形较大的软岩,以便充分利用泄洪建筑物开挖料。由于软岩料对环境变化的敏感性很强,湿化变形大,因此在死水位以下、影响沥青混凝土心墙应力较小的上游填筑区填筑软岩与硬岩的混合料,而在上游水位变化区内填筑湿化变形小的硬岩,以便使坝壳料基本上处于自重受压铅垂向变形,而水平向位移尽量小。3计算理论和模型墙等本构模型本工程筑坝料(石渣混合料、石渣料、堆石料、沥青心墙等)本构模型采用邓肯—张(E-B)模型,混凝土防浪墙以及混凝土底座等结构均采用线弹性本构模型,服从广义虎克定律。采用增量初应变法迭代求解位移。单元剖分技术本工程三维非线性有限元的基本单元采用八结点六面体单元,填充单元包括六结点五面体单元和四结点四面体单元两种。接触面采用无厚度Goodman单元,接缝采用无厚度无宽度线单元。采用控制断面超单元自动剖分技术,首先形成超单元,进而加密剖分形成有限单元。控制剖面根据结构的特点、分级加载和形成超单元的要求选取。有限元计算模型见图2。坝体加载概况根据坝体施工进度安排,从大坝建基面开始至坝顶逐步上升,一期加载上游枯水围堰和坝体全年围堰,二期加载坝体至628.5m高程,三期加载坝体至坝顶,其中一期和二期共分5级进行加载,三期分4级进行加载,总共分9级荷载模拟大坝填筑施工进程;在蓄水期,分7级荷载模拟水库水位逐渐上升的过程,每级荷载水位上升约15m。全部共有16级加载完成坝体填筑和蓄水。计算时,每一级荷载均一次性加载,采用中点增量法,以便较好地模拟加载过程。4沥青混凝土性能通过对推荐配合比的沥青混凝土进行拉伸、抗压试验、水稳定试验,弯曲、渗透性能及静力三轴试验,沥青混凝土的力学性能试验成果见表1、2,其各项性能都可满足高坝沥青混凝土心墙的要求。通过粗颗粒料的静力三轴试验,筑坝填筑料的静力学性能参数见表2,泥岩料的φ0和体变模量参数K偏小。5电压损失分析通过三维非线性有限元静力分析,得出坝体的应力应变计算结果。坝体沉降和坝体填筑变形等值线分析坝体变形等值线见图3-6。堆石体最大沉降都发生在河床中部靠近坝轴线的下游坝壳内,且高程大约为654m处。竣工期,坝体的最大垂直位移(沉降)为-1435.5mm,约占最大坝高的1.32%;顺河向指向上游的最大水平位移为-482mm,指向下游的最大水平位移为756mm;沿坝轴线方向的最大水平位移为111mm,方向指向左岸,这主要是由于河谷的轻微不对称引起的。蓄水期,坝体的最大垂直位移(沉降)为-1485.9mm,竣工沉降后最终沉降为-5.0mm;顺河向指向上游的最大水平位移为-232mm,指向下游的最大水平位移为926mm;沿坝轴线方向的最大水平位移为134mm,方向指向左岸。沥青混凝土心墙变形等值线见图7-10。竣工期,沥青混凝土心墙的最大顺河向水平位移为向上游-5.3mm,向下游102mm;蓄水期,沥青混凝土心墙的最大顺河向水平位移为向下游483mm,沥青混凝土心墙最大顺河向位移约占最大坝高的0.44%,说明沥青混凝土心墙顺河向位移很小。沥青混凝土心墙挠度曲线见图11。从沥青混凝土心墙的挠度曲线(顺河向水平位移)来看,竣工期,沥青混凝土心墙在高程600-660m之间变形较大,且水平位移指向下游,在高程602～660m之间,下游坝壳料主要为相对较软的泥岩料,从而形成了上游相对较硬的坝壳料对下游较软坝壳料的挤压趋势,随着坝体填筑高度的增加,沥青混凝土心墙向下游的水平位移增大;蓄水期,在水压力的作用下,沥青混凝土心墙向下游的水平位移较大,且位移值随着坝体高度的增加而不断增大。沥青心墙坝体应力坝体应力等值线见图12-15。竣工期,坝体的第一主应力为2583kPa,第三主应力为1470kPa;蓄水期,坝体的最大主应力为2655kPa,第三主应力为1355kPa。坝体最大应力均发生在坝体底部附近,越靠近坝轴线,第一主应力越大。蓄水期由于水压力的作用,上游堆石体在浮托力的作用下单元应力小于竣工期的相应单元的应力,下游堆石体的单元应力大于相应单元的应力值,总体上应力的变化不大。坝体应力基本上按照坝高分布,且沿沥青心墙在上下游基本成对称分布,说明坝体应力主要是坝体自重产生。由于沥青心墙混凝土底座嵌入坝体,因此,混凝土底座周围的坝体局部出现应力集中现象。该区域采用模量较低的填料较为有利。沥青混凝土心墙应力等值线见图16-21。沥青混凝土心墙的最大偏压应力在竣工期和蓄水期分别为1006kPa和1096kPa,均小于沥青混凝土抗压强度2.54MPa,因此沥青混凝土不会压坏。竣工期和蓄水期,沥青混凝土心墙基本上都处于受压状态,仅在左、右岸顶部出现小范围的拉应力区,拉应力最大值为258kPa,小于拉伸强度470kPa,说明沥青混凝土不会水力劈裂。蓄坝期坝体应力坝体应力水平见图22-23。竣工期,坝体的应力水平最大值约为0.90;蓄水期,坝体的应力水平最大值约为0.95,均小于1。从应力水平分布来看,尽管竣工期和蓄水期坝体各部位的应力水平均较高,但坝体内部没有出现明显的剪切破坏区，表明坝体在目前荷载情况下是稳定的。坝料参数对沥青混凝土心墙的影响为了考虑施工因素,研究不同坝料参数对坝体工作性态的影响,对施工筑坝控制参数进行敏感性分析,即将坝料邓肯—张模型的主要参数K和Kb分别增大10%和减小10%作对比计算。计算结果表明,坝料参数降低,堆石体的整体力学性能相对较差,弹性模量系数偏低,因此,坝体的整体变形较大,导致沥青混凝土心墙的变形增加。以沥青混凝土心墙最大挠度为例,在参数增大10%、设计和减小10%3种情况下,蓄水期沥青混凝土心墙的最大挠度分别为428、474mm和529mm。通过对比计算分析可以发现,坝料的力学参数对整个坝体的变形特性有较大的影响。坝体填料的密实度提高,其模量系数较大,则坝体变形较小,沥青混凝土心墙的变形和应力也随之减小。因此,提高坝体的密实度是有利的。6沥青混凝土心墙坝体分区和坝体变形放从以上计算分析可得,本工程坝体变形适度,沥青混凝土不会发生水力劈裂破坏,官帽舟沥青混凝土心墙混合坝能较充分利用泄洪开挖的软岩利用料,设计合理和可行。从沥青混凝土材料模型和坝体设计理论方面,仍有以下两方面值得研究:a)沥青混凝土属于粘弹塑性材料,其力学性能复杂,变形能力强,本工程采用邓肯—张(E-B)模型计算坝体应力应变分析,在一定程度上未能足够反映出沥青混凝土心墙的适应变形能力,因此坝体分区仍有优化余地。b)