心墙土石坝水力劈裂三维有限元分析

心墙土石坝水力劈裂三维有限元分析

从20世纪末开始，中国进入了水利水电建设的黄金时期。在高坝和深沟槽等恶劣地质条件下，大量多层开挖房屋相继竣工。与复杂多样的土木工程建设背景相比，对岩体和混凝土的水压裂进行了研究还处于初步阶段。由于缺乏理论支持，我们迫切需要深入研究水压裂的计算方法。目前适合于水力劈裂分析的数值计算方法较多,如有限元法、边界元法和无单元法等,其中有限元法是最成熟、应用最广的数值方法.本文通过对塔卡河上某水电站进行三维有限元分析,对比发生水利劈裂的临界关系条件,并说明了发生水利劈裂的临界关系条件的正确性,从而为实际设计提供参考.1坝—工程概况与研究方法该水电站位于四川省甘孜州九龙县境内的踏卡河上,电站装机容量130MW.拦河大坝为粘土心墙堆石坝.水库正常蓄水位3165.00m,相应库容8485万m3,最大坝高108.2m;地震设防烈度为Ⅶ度.坝区两岸山体雄厚,临江坡高大于300m.出露基岩为中厚~厚层变质砂岩夹板岩.坝基河床覆盖层深厚,一般为45~80m,表层有厚度3.20~37.50m粉土质砂层,下部主要为块(漂)碎(卵)砾石,厚度23.10~64.30m.覆盖层透水性总体较强.坝址上下游均有变质砂岩夹板岩筑坝块石料场,岩质较坚硬;初步设计阶段以粘土心墙坝进行坝线的比选.坝址处最低温度为-15℃,最高31℃,年平均温度8.8℃.土的有效应力等于总应力减去水压力,当总应力小于水压力时,土中的有效应力小于零,即认为土颗粒之间无接触.本文计算也是基于有效应力原理,通过对该工程做三维有限元计算,分别求出心墙上游面的水压力和相应高程处心墙中上游面的总应力,当水压力大于总应力时,即认为出现裂隙,进而在水压力作用下发生水利劈裂.心墙中总应力分析采用空间四面体单元与空间六面体等参数单元.根据以往计算经验,对于基岩、混凝土防渗墙等材料宜采用弹性本构模型;粘土心墙,堆石体、过渡层、覆盖层等材料宜采用邓肯张E-B模型孔隙水压力按稳定渗流计算.这是由于坝壳料的低渗透性,在大坝蓄水到正常蓄水位时,上游坝壳料已经处于饱和状态然后分别从计算结果中整理出心墙上游面的水压力和相应高程处心墙中上游面的总应力随高度的变化曲线,根据水压力线与总应力线的关系判断心墙是否发生水力劈裂.2计算条件和主要计算2.1计算材料及计算模型计算区域的选择:坝体顶宽15m,长度为580m.从坝底到坝顶坝体计算高度为104m.从大坝迎水面坝脚向上游延伸400m,从大坝背水面坡脚向下游延伸380m.大坝采用粘土心墙、混凝土防渗墙与帷幕相结合的防渗形式.三维应力分析计算中共涉及到10种材料,在模型中分别用不同的颜色表示,它们分别为过渡层,垫层,主堆石,次堆石,砂卵石层,粉细砂层,粘土心墙,混凝土防渗墙,变质砂岩,基岩,山体.水电站大坝应力计算中,采用笛卡儿直角坐标系.以垂直于坝轴线的水平方向为x坐标轴,以过上游迎水面坡脚的铅垂线为y轴,以平行于坝轴线的方向为z轴,计算坐标原点选取在防渗墙轴线、河道中线、坝体底面的交汇处.坐标系的选取如图1所示.坝体最大剖面和坝料分区见图2.本次计算中,共涉及到10种材料,其中过渡层,垫层,主堆石,次堆石,砂卵石层,粉细砂层和粘土心墙均采用非线性弹性邓肯张E-B模型,材料参数的数据如下表1,基岩、山体和混凝土防渗墙均采用线弹性模型,材料参数如下表2.2.2选取的剖面位置对三维模型进行水力劈裂分析时,不可能对每个顺河向的剖面都一一判别,只能从中取出个别具有代表性的剖面进行判别.本文在计算中取三个剖面,分别是标准剖面,坝体左岸剖面和坝体右岸剖面,这些剖面的位置如图3.2.2.1储层内每个剖面的垂直总应力等值线图4~图6为图3中三个剖面在蓄水期y方向总应力等值线图,从图中可以看,三个剖面都存在一定程度的“拱效应”.2.2.2坝壳内上游水压力图4~图5已经给出了竖向总应力等值线图,还需要知道坝壳中靠近心墙上游面的水压力才能判断水力劈裂是否发生.如图7~图9所示,给出了三个剖面的压力水头等值线图.3计算结果表明的分析3.1坝壳蓄蓄期的影响由图4~图6的竖向总应力图和图7~图9的压力水头等值线图,对于图3中的三个剖面,可以分别求坝壳中靠近心墙上游面的水压力和相应高程处心墙中上游面的竖向总应力,从而绘出在蓄水期两者的关系图,如图10所示.由图10可以看出,在三个剖面中,坝壳中靠近心墙上游面的水压力都是大于相应高程处心墙中上游面的竖向总应力,也就意味着不会发生水力劈裂.3.2心墙泊松比mc结果研究表明,水利劈裂的临界条件为:其中uf06dc为心墙泊松比,Re,cr为坝壳与心墙的临界弹模比.将踏卡河某水电站中的心墙泊松比mc带入式(1),可计算出发生水利劈裂的临界弹模比Re,cr,然后再求出水电站坝壳与心墙实际的弹模比Re,如果Re<Re,cr,则不可能发生水利劈裂.因为项目提供的材料参数采用的是邓肯-张E-B模型,所以如利用式(1)判断,需要将材料参数转化为邓肯-张E-μ模型.3.2.1坝壳模量和墙的关系在邓肯-张E-B模型中切线模量表达式为式中pa为大气压,Kb,n为试验参数,c,ɸ为土的强度指标,σ1,σ3分别为大小主应力将表1中心墙的计算参数代入式(2),可以得到心墙模量为再将表1中主堆石的材料参数带入式(2),可以得到坝壳模量为Et2=3.41(203.6-0.29σ1)2,可求出墙与坝壳主堆石弹模比为由式(4),可知在σ1取0.8MPa~2.4MPa时,Re均不大于4.3.2.2心墙泊松比c邓肯-张E-B模型中体变模量将表1中心墙的计算参数代入式(5),当σ3=100KPa可确定心墙B值为142739,再由式中Et为割线模量,其值已由式(3)求出,将B值=142739,并结合式(6),可确定当σ1=0时,心墙泊松比μc为0.32.3.2.3心墙与坝壳临界弹模比对将μc的0.32代入发生水利劈裂的临界条件Re,cr(28)1333.3μc3-1200μc2+376.67μc-37,可知心墙与坝壳临界弹模比Re,cr等于4.3.由式(4),可知在σ1取0.8MPa~2.4MPa时,eR均不大于4,即eR(27)Re,cr.也就意味着不会发生水力劈裂,这与上面用总应力法的计算结果一致.4作用在大坝各材料参数计算参数的验证(1)本文通过踏卡河某水电站粘土心