心墙堆石坝应力-变形分析

心墙堆石坝应力-变形分析

水库是发展最快的水库类型。从20世纪40年代到现在，它已经使用了60多年。目前仍然是高土石坝的主流坝型,特别是200m以上的高土石坝,无一例外地均选用这种坝型。如:云南糯扎渡土质心墙堆石坝,最大坝高为261.5m;前苏联罗贡心墙土石坝,坝高335m(1995年建成是迄今最高的土石坝)。土质心墙与斜心墙堆石坝在承受静力和动力荷载时表现有所不同,可以适用不同的条件。在工程实践中几乎每个心墙坝工程均会进行心墙和斜心墙两种方案的比选,因此,分析比较这两种坝型的特点,总结相应的规律,为方案比选提供理论依据具有重要的实践意义。本文结合山西某新建水库大坝土质心墙和斜心墙堆石坝的静动力特性数值分析成果,对这两种坝型在静力与动力作用下应力与变形的特性进行了对比分析,得出了一些有益的结论,可以为类似工程提供参考。1坝体静电力确定该工程设计总库容3.92亿m3,正常蓄水位以下库容为2.79亿m3,属于大(2)型二等工程,主要建筑物为Ⅱ级。坝顶高程为763.8m,最大坝高为72.2m,坝顶长度为637m,正常蓄水位为759.0m,工程抗震设计烈度为7度。工程设计中提出两个方案,即:土质心墙堆石坝和土质斜心墙堆石坝。为了比较两种方案的优缺点,对两种坝型进行了有限元动静力分析。静力计算中的本构关系选用邓肯-张非线性模型,用中点刚度法逐级求解;动力计算中选用哈丁-德聂维契(Hardin-Drnevich)等效粘弹性模型反映土体的动力本构关系,用徐志英孔压增长模型反映动力作用下饱和土体的孔隙水压力变化规律,用集中质量法得到质量矩阵,用瑞利法得到阻尼矩阵。动静力计算参数由坝体各种填筑材料的强度、变形特性专门试验研究成果确定,如下表1、表2所示。本工程覆盖层较薄,基岩也较为完整,因此在进行静力计算中,在坝基下取一倍坝高的基岩和覆盖层进行计算,充分考虑了基岩、覆盖层对坝体变形的影响;在动力计算中,认为地震波从基岩向上传播,因此只考虑了覆盖层,而不将基岩纳入计算范围之中。2静力计算结果的分析2.1坝体结构变形的规律最大坝高断面斜心墙坝体竣工期的垂直方向变形等值线图如图1所示,变形矢量图见图2所示。而相应的心墙方案竣工期坝体的垂直变形等值线图和矢量图分别如图3、图4所示。计算竣工期坝体的变形实际上是坝体整个填筑期的总的变形量,由于坝体材料较软,计算得到的总的沉降变形量较大。斜心墙方案中垂直变形中间大两边小,在坝体上部垂直变形的等值线基本上是一条垂线,说明该部分坝壳土体本身变形较小,基本随心墙土向下作平行移动。这充分说明上游坝壳土体是随着心墙土体的变形而变形,对心墙有压缩作用。这种向下座的作用在坝顶以下4/5以上的土体中表现的较为明显,上游坝壳对心墙的压缩作用在斜心墙坝中表现显著。心墙竣工期的垂直方向坝体变形较为对称,上下游变形基本一致,心墙变形较两侧堆石大的多,由于过渡料和反滤料的厚度较小,其对变形的减少不太明显。计算得到最大垂直变形值较斜心墙小。2.2坝体应力分布斜心墙在竣工期的有效主应力σ1、σ3的分布等值线图见图5(a)、(b)所示。从图中可以看出,坝体两侧应力较大,而心墙内部的应力较小,最大垂直应力发生在坝体底部为1.6MPa;心墙内部的应力分布极不均匀,其值远远小于两侧的应力,其中以坝顶下2/3倍坝高处应力与坝壳应力的差值最大。心墙在竣工期的有效主应力σ1、σ3的分布等值线图见图6(a)、(b)所示。心墙的应力分布较为对称,两侧坝壳的小主应力与心墙相差不大,坝体上部心墙的小主应力还超过了两侧堆石,大部分部位坝心墙与坝壳的水平应力一致。坝体大主应力表现为心墙小,两侧大,两者相差较大。说明有“拱效应”产生。心墙大心墙内部主应力与两侧坝壳的差值较斜心墙大,“拱效应”较为明显。总的来看,两种坝型静力情况下的变形、应力分布规律基本一致。斜心墙由于心墙上游坡度较大,坝壳随心墙的变形而变形,不具备产生“拱效应”的条件;而心墙却存在“拱效应”产生的条件,对心墙的抗裂不利。斜心墙坝变形较大,上游过渡料下部有应力集中区,以及心墙与反滤料可能存在相互错动等缺点,也应该充分地考虑。3基岩加速度分析由于本工程与小浪底水利枢纽距离较近,两者相距不到150km。其周围300km之内的断裂带主要有:太行山东麓通过磁县-林县-焦作的断裂带,中条山南麓通过亘曲-平陆的断裂带,封门口大断裂带(通过亘曲-济源),汾河陆槽断裂(通过洪洞-临汾)。这些断裂带是本地区发震区的地质背景。因此,本工程与小浪底水利枢纽的地震发震区基本一致,只是两者分布于封门口大断裂带的两侧,与各断层距离不同而已。地质勘察发现两者地质构造也基本类似,因此,将小浪底水利枢纽使用的基岩地震加速度曲线作为本工程计算基岩地震加速度曲线的样板。采用seed提出的方法,对上述地震曲线进行折算使之地震加速度最大值与设计地震加速度相等即0.1g,折算后的加速度过程曲线作为计算加速度曲线,其波形见图7所示,其地震持续时间为15.7s。计算中假定地震惯性力是沿水平方向作用于基岩上,而地震波从基岩向上传播。3.1心墙坝地震惯性力的作用两个坝型在典型断面计算得到的最大加速度反应值见表3所示,从表中可以看出,两种坝型地震加速度放大系数从坝基到坝顶由小到大分布,心墙坝较斜心墙坝的动力加速度放大系数要大。说明心墙坝将承受较大的地震惯性力的作用。斜心墙方案坝顶节点3与心墙中部节点117节点的地震加速度反应曲线见图8(a)、(b)所示。图中表明,加速度最大值发生在振动时间为2.0到4.2秒之间,与输入地震曲线加速度变化规律一致;各节点加速度反应最大幅值较输入地震反应波有滞后现象,且这种滞后在坝顶处较坝底要明显;坝底加速度反应曲线振动频率与地震波的频率基本一致,而随着坝高的增加振动频率逐渐降低,这无疑是坝体阻尼作用的影响。心墙方案加速度反应规律与斜心墙基本一致,但幅值较大。3.2坝体振动反应各断面计算最大水平动位移反应见表4所示,从表中可以看出,最大动位移发生在坝顶,心墙和斜心墙两个方案计算得到的最大水平动位移相差不大。斜心墙方案坝顶节点193水平向振动位移反应曲线见图9所示。从图中可以看出,水平位移的振动周期较低,是输入地震加速度振动周期的10倍左右,最大位移发生在4～5s之间。水平向振动位移在地震结束后迅速趋于0值,说明坝体振动基本处于弹性振动状态。心墙动位移反应与斜心墙基本一致。从以上分析可以看出,心墙与斜心墙在承受动力荷载的特性上相差不大,只是心墙最大地震加速度反应值较斜心墙稍大,其承受的地震惯性力将大于斜心墙,对坝体动力稳定性不利。4坝体结构格局的对比(1)从静力的角度看,心墙与斜心墙两种坝型的变形、应力分布规律基本一致。斜心墙由于心墙上游坡度较大,坝壳随心墙的变形而变形,不具备产生“拱效应”的条件;而心墙却存在“拱效应”产生的条件,对心墙的抗裂能力将造成不利影响。但是斜心墙坝存在坝体变形较大,上游过渡料下部有应力集中区,以及心墙与反滤料可能会发生相互错动等缺点,对其造成的不利因素也应该充分地考虑。(2)从动力角度看,心墙与斜心墙在承受动力荷载的特性上相差不大,只是心墙最大地震加速度反应值较斜心墙大