双江口高心墙堆石坝三维应力分析

双江口高心墙堆石坝三维应力分析

1枢纽工程施工双江口水库是河东河流域水电工程的主要控制水库，是河东河流水电工程的重要工程之一。电站水库正常蓄水位2500m,最大坝高314m,对应库容约27.32亿m3,具有年调节能力,电站装机容量2000MW,年发电量81.28亿kW·h,设计枯水年枯期平均出力48.6万kW,枢纽最大泄洪流量约8000m3/s。坝址区地震基本烈度为7度。其相关技术难度主要表现在:(1)超高水头作用下深厚覆盖层地基的防渗问题;(2)心墙和坝壳料的变形协调问题;(3)坝体的抗震问题等。该大坝建基面高程2196m,坝顶高程2510m,坝顶宽16m,上游坝坡为1∶2.0,下游坝坡为1∶1.9;防渗心墙顶宽4m,上下游坡均为1∶0.3,心墙上下游分别设两层反滤层,上游两层反滤层水平厚度均为4m,下游两层反滤层水平厚度均为6m。上下游反滤层与坝体堆石之间设置过渡区。心墙岩石基础面设置混凝土盖板保护基岩面,防止渗透水流对心墙基岩面的冲刷。大坝心墙底部的覆盖层全部挖出以满足防渗要求。堆石坝坝壳底部仅挖出覆盖层顶部的松散表层,覆盖层分三层:①含漂卵砾石层,②含泥的砂卵砾石层,③漂卵砾石层,覆盖层中还夹有一些砂层透镜体。本文通过建立三维有限元模型,主要研究了双江口心墙堆石坝在施工填筑和蓄水作用下的应力应变状态和变形协调问题,并对工程施工提出了若干建议。2计算模型和参数2.1防渗墙节点的有限元模型心墙堆石坝坝体材料(心墙料、反滤料、过滤料、坝壳料)及坝基覆盖层的应力应变曲线具有明显的非线性特征,其变形不仅随应力水平变化,同时还与加荷的应力路径相关,反映这种非线性行为的本构模型主要有弹性非线性模型与弹塑性模型,本次研究采用邓肯-张(Duncan-Chang)E-B模型。在坝体填筑过程中,由于不同材料刚度差异,材料分界面之间可能出现相对滑动趋势,本文采用古德曼单元模拟混凝土防渗墙与周围土体之间的泥皮、基岩与高塑性粘土之间的过渡材料。本文建立三维有限元模型时约定:沿心墙坝轴线上下游各取800.0m,即顺河向x方向截取1600m;横河向z由桩号0-505.0m取至桩号1+1173.68m,横河向总长度1678.68m;铅直向由高程2000m取至地表自由面。三维有限元网格共计剖分34280个节点和34111个单元见图1。计算工况:工况1(竣工期):分级填筑至坝顶2510m。工况2(蓄水期):分级填筑至坝顶2510m,分期蓄水至2500m。蓄水及填筑过程如下:(1)第9年4月:坝高2385m,蓄水至2350m。(2)第10年5月:坝高2460m,蓄水至2425m。(3)第10年10月:坝高2480m,蓄水至2450m。(4)第11年10月:坝高2510m,蓄水至2500m。2.2坝体填筑及加载设计(1)本文在计算时采用的坝体材料基准参数见表1。(2)坝体分层填筑荷载加载方法。本次三维静力有限元分析时,坝基和覆盖层作为一次加载,只计入初始应力场,考虑到上游围堰先期填筑,将围堰由下至上分3级填筑,坝体由下至上(2196.0~2510.0m高程)分为20层填筑。计算中采用“中点增量法”模拟每层填筑或分级加载。(3)水荷载加载方式。本文中水库蓄水对坝体的作用,通过以下3个方面模拟:在心墙上游面施加水压力;上游坝壳堆石、过渡层、反滤层浸水单元,按体力(湿重与浮重之差)施加铅直向上浮托力,坝体心墙料变为饱和容重,按饱重和湿重之差施加向下体力;砼防渗墙上游面及砼防渗墙上游侧心墙底面施加水压力。3计算结果和分析3.1施工期1水库位移3.1.1堆石区和过渡层水平变位填筑结束的计算结果表明坝轴线以上区域一般向上游变位,坝轴线以下区域则向下游变形。河床剖面上下游堆石区及过渡层水平变位分布近于对称。上游堆石区向上游变位,最大值顺河向变位-0.873m,发生在节点18923,高程2350m;下游堆石区向下游变位,最大值约0.803m,发生在节点19456,高程2316m。3.1.2最大沉降位置最大沉降量一般发生在心墙中轴线上,距坝底约1/2坝高范围,其量值随坝高及坝基覆盖层厚度增加而增加,最大沉降量约-2.907m(坝高的0.93%)(最大沉降位置见图2)。河床坝段各剖面心墙上下游堆石区与过渡层沉降分布近于对称,坝体中上部相同高程,心墙区沉降量明显大于两侧堆石区,坝体下部受砼基座顶托作用,混凝土基座上部的心墙沉降量明显减小,沉降等值线近于水平分布。坝体垂直沉降变位存在明显的“拱效应”,即河床坝段同一高程心墙区沉降量明显大于上下游过渡层和堆石区沉降量。3.2已固结体心墙内拱力分布3.2.1坝体应力(1)各横剖面主应力σ1分布规律一致,上下游坝壳浅部σ1值接近自重应力,心墙内存在一定拱效应,主应力关于纵轴线基本呈现对称分布。上下游σ1在建基面过渡层折角处形成一定应力集中,量值达5.0MPa;河床剖面中上部高程心墙内拱效应明显,下部高程受砼基座顶托作用,心墙内拱效应有所减弱。上游堆石区σ1极值3.0MPa左右,上游过渡层σ1极值-4.0~-5.0MPa,心墙内σ1极值3.0MPa,下游过渡层σ1极值3.5MPa,下游堆石区σ1最大值3.0MPa。(2)各横剖面小主应力σ3分布规律同σ1比较,其分布较为平顺。下部高程受砼基座顶托作用,心墙内小主应力σ1出现集中现象。由于基岩起伏不平,在基岩分界面上出现较多小主应力σ3的应力集中区。上游堆石区σ3量值0.2~1.4MPa,上游过渡层σ3量值0.2~2.4MPa,心墙内σ3量值0.2~1.6MPa,下游过渡层σ3量值0.2~1.4MPa,下游堆石区σ3量值0.2~1.6MPa。心墙中轴线纵剖面和迎水面均不存在拉应力区域,表明沿左右岸坡铺填混凝土基座和高塑性粘土对改善应力效果显著。3.3水库储存期23.3.1心墙上游向下游变位蓄水期大坝的顺河向水平位移发生很大变化,竣工期上游坝壳及过渡层基本向上游变位,然而蓄水期除中下部高程上游堆石区仍向上游变位外:坝体其余部分向下游变位,且向下游变位量值较竣工期普遍增大,极值的部位也普遍上移,一般出现在心墙上游面1/2坝高附近,河床中间剖面上游堆石特征节点水平位移-0.029m,比工况1的-0.873m大大减小;下游堆石特征节点水平位移0.968m,比工况1的0.803m增大20.5%。3.3.2坝上坝坝心墙最大沉降量降至合坝时代蓄水期大坝的沉降特性与竣工期基本相同,但因上游2500.0m高程范围的坝壳浸水卸载作用,心墙的加载作用,以及水压力作用的综合影响,各部位发生轻微上抬,河床坝段心墙最大沉降量由竣工期-2.907m降至蓄水期-2.416m,减小16.9%。3.4储水期条件2水库突出3.4.1心墙内特征节点第一、四核心应力下降(1)蓄水期坝体大主应力σ1分布规律与竣工期基本相似,一方面由于心墙上游面水压力及心墙加载作用,蓄水期由于上游坝壳料浸水卸载及心墙底面向上的水压力作用,上游堆石区及过渡层σ1量值略有减小。如河床坝段上游过渡区底部σ1极值由竣工期3.5~5.0MPa减小至蓄水期2.5~3.0MPa。心墙内特征节点第一主应力σ1由工况1的3.482MPa增至3.546MPa。上游堆石应力减小,例如上游堆石特征节点σ1值为1.036MPa,比竣工期的1.582MPa下降0.546MPa(约34.5%)。下游堆石第一应力σ1变化不明显。(2)蓄水期坝体小主应力σ3分布规律较竣工期有两个大的变化,一是左右岸坡及河床坝段上游堆石区及过渡层内小主应力σ3显著下降,另一个变化是河床坝段心墙内σ3有所增大,例如,上游堆石应力减小,上游堆石特征节点的σ3值为0.266MPa,比竣工期的0.675MPa下降0.409MPa;心墙内特征节点第三主应力σ3由工况1的1.775MPa增至2.217MPa。下游堆石第三应力σ3变化不明显。3.4.2堆石或过渡层(1)由于坝体上游堆石、过渡层浸水减载作用,主应力量值减小,该区域应力水平SL较竣工期提高,如左岸坝段中上部高程上游浅表层堆石SL值由竣工期0.45~0.75增至0.85;河床坝段上游堆石及过渡层SL值也由竣工期0.5~0.6增至0.5~0.9;右岸坝段上部高程上游堆石及过渡层SL值也由竣工期0.6~0.75增至0.7~0.8。(2)河床坝段,上游堆石在2430~2450m高程岸坡出现SL值为0.9的区域,意味着该处接近剪切极限状态,应引起注意。坝体心墙下游过渡层与堆石区应力水平SL值与竣工期基本相同。3.5坝体沉降量的确定从双江口心墙堆石坝三维有限元计算结果与类似工程的对比结果可以看出,双江口大坝作为300m级高坝,在竣工期的沉降量最大,但是沉降量占坝高的百分比在同类工程中最少;蓄水期水平方向的位移与坝高的相对比值在同类大坝中也处于较小位置。4坝段结构差异对坝体应力的影响(1)双江口心墙堆石坝左岸较缓、右岸陡峭,岸坡约束作用强烈,空间作用显著,基准参数下三维计算的坝体竣工期最大沉降量-2.907m,出现在河床坝段心墙中部(1/3-1/2)坝高位置,坝体特征点向上游最大水平变位-0.873m,向下游最大水平变位0.803m,顺河向位移关于坝轴线对称性较好。蓄水期坝体最大沉降量减至-2.416m,河床坝段特征点向上游最大水平变位减至-0.029m,向下游最大水平变位增至0.968m。(2)由于空间约束作用和坝体心墙与坝壳之间堆石沉降差异影响,坝体应力分布存在一定拱效应。竣工期坝体应力在上下游过渡区和反滤层存在梯度较大的现象,河床最大坝段特征节点第一主应力σ1为3.482MPa,是蓄水期受心墙加载和水压力作用所致,坝体应力在上游过渡层变化梯度变小,而在下游过渡层变化梯度仍然较大,特征点第一主应力σ1值为3.546MPa。(3)由于坝体上游堆石、过渡层浸水减载作用,小主应力σ3量值