高墩大跨度连续刚构桥应力分析

高墩大跨度连续刚构桥应力分析

中国水保护资源开发取得前所未有的高潮。到2020年，应开发1.7亿kw。土石坝由于其良好的地质条件要求低、可选择的材料少、施工速度快、抗灾能力好等优点，在世界水库中排名第一。在世界水库中，土石坝的建设数量始终是排名第一的。中国有800多座水库。大型水库的喷泉为71%，小型水库的喷泉为92%，小型水库的喷泉为大多数。考虑到中国目前的西部大发展战略和西部电东送的发展战略，许多高坝建在200米以上的水库中，这是土坝。在土石坝的设计建设中,用数值方法对坝体在施工和蓄水中的应力变形进行计算分析的必要性,已被我国坝工界所认可,但仍存在一些难点问题需要解决.笔者用平面有限元分析方法,对我国大渡河上游拟建300m级高心墙堆石坝在施工、蓄水过程中的应力变形进行计算分析.1大坝上、下游反滤层该水利枢纽工程拦河大坝采用碎石土直心墙堆石坝,最大坝高318.00m,坝顶宽16.00m,上游坝坡为1∶2.0,下游坝坡1∶1.8;防渗心墙顶宽4.00m,上、下游坡均为1∶0.2.心墙上、下游分别设两层反滤,上游两层反滤水平厚度各4.00m,下游两层反滤水平厚度各6.00m.上、下游反滤层与坝体堆石之间均设过渡层.大坝典型断面如图1.心墙岩石基础面设砼盖板保护岩基面,防止渗透水流对心墙基础接触面的冲刷.砼盖板兼起固结灌浆盖重作用.为满足防渗要求,大坝心墙底部覆盖层全部挖除,堆石坝壳底部挖除覆盖层顶部的松散表层和埋藏较浅的砂层透镜体.坝址区无大的断层带,但分布有若干小断层;同时,两岸基岩均发育节理裂隙.为防止沿断层带发生集中渗漏,开挖清理完毕后,作砼塞封堵心墙范围内出露的断层带和张开的节理裂隙,坝基防渗范围内的断层带和节理裂隙均采用帷幕灌浆处理.2水库结构模型及模型参数2.1本构模型的建立砼在破坏前的应力应变关系基本为线弹性行为,因此作为线弹性材料考虑.土石料(包括心墙料、反滤料、过渡料、堆石料和黏性土等)的本构模型主要采用目前我国岩土工程界普遍认可和使用的邓肯-张E-ν非线性弹性模型模拟.在心墙底部的砼盖板和黏性土之间可能有不协调的错动位移发生,设置了Goodman接触面单元模拟这种可能的不连续变形.2.1.1土体黏聚力pa的计算邓肯-张E-v非线性弹性模型中,主要参量切线弹性模量Et和切线泊松比vt可分别由式(1)、式(2)得到:Et=[1−Rf(1−sinφ)(σ1−σ3)2ccosφ+2σ3sinφ]2Kpa(σ3pa)n(1)vt=G−Flg(σ3/pa)(1−A)2(2)Et=[1-Rf(1-sinφ)(σ1-σ3)2ccosφ+2σ3sinφ]2Κpa(σ3pa)n(1)vt=G-Flg(σ3/pa)(1-A)2(2)其中,A=(σ1−σ3)DKpa(σ3pa)n[1−Rf(1−sinφ)(σ1−σ3)2ccosφ+2σ3sinφ](3)A=(σ1-σ3)DΚpa(σ3pa)n[1-Rf(1-sinφ)(σ1-σ3)2ccosφ+2σ3sinφ](3)式中,c为土体黏聚力;φ为土体内摩擦角;pa为大气压力;Rf、K、n、G、F、D为模型参数.这些模型主要由常规的固结排水三轴试验确定.2.1.2应力-位移间的耦合应力关系Goodman单元为一种无厚度的接触面单元,它可用来模拟两种性质相差较大的材料的接触面的应力变形特性,以模拟接触面两边可能产生的相对滑移或错动.在平面应变状态下,其应力与位移之间表示为如下关系:{σnτxy}=[Kn00Kxy]{ωnωxy}(4){σnτxy}=[Κn00Κxy]{ωnωxy}(4)式中,τxy为接触面上的剪应力;σn为接触面法向应力;ωxy和ωn分别为切向位移和法向位移;Kn为接触面法向劲度;Kxy为接触面上的切向劲度.2.2坝体堆料、过渡料、反滤料、心墙及黏土材料模型参数的确定砼弹性模量为2.55×104MPa,泊松比0.16,密度2.40g/cm3.坝体堆石料、过渡料、反滤料、心墙及黏土材料的邓肯-张E-v模型参数示于表1.砼与黏性土之间的Goodman接触面单元的模型参数示于表2.2.3有限模型有限元网格划分时,对土石料、砼等单元,大部分为4结点等参单元,少数用3结点单元过渡.有限元网格见图2.3计算结果和分析3.1水库建成时的最大电压3.1.1坝壳与心墙的应拱效应图3给出了竣工期坝体典型断面上大主应力等值线.图中显示,大主应力受拱效应(拱效应是指由于心墙和坝壳材料的变形模量相差较大,在坝壳沉降稳定时,心墙的沉降过程尚未完成,坝壳对心墙的进一步沉降有一种顶托作用,使得心墙内应力减小的一种现象)的影响,心墙内大主应力比过渡层的应力明显降低.3.1.2拉应力线上的应力图4给出了竣工期坝体典型断面上小主应力等值线.从等值线图上看,心墙应力没有出现拉应力,心墙不会产生拉裂缝.小主应力未见拱效应的明显影响,其数值大小与过渡层的应力相近.3.1.3坝体应力水平图5显示了竣工期坝体的应力水平,总体上数值并不高.半坝高以上的心墙区域,应力水平稍高,但最大也仅0.7左右.表明坝体没有出现破坏区域.3.2水库建成期间的位移3.2.1坝体内部位移明显图6给出了竣工期坝体典型断面上顺河向水平位移等值线,其中,“+”表示向下游位移,“-”表示向上游位移.竣工期坝轴线顺河向的水平位移接近0,但下游位移明显比上游要大.坝体向下游的最大水平位移达115.10cm,占最大坝高的0.36%,而上游的最大水平位移仅80.11cm,上下游差值达34.99cm.引起这种差异的原因主要是下游边坡比上游边坡陡.3.2.2水库沉没图7给出了竣工期坝体典型断面上的沉降等值线.竣工期最大沉降为286.54cm,占最大坝高的0.90%.沉降最大值在2/3坝高处.3.3储水水库的肥力3.3.1坝体应力在各防洪工程期和4.图8给出了蓄水后坝体典型横断面上大主应力等值线.比较图3和图8的竣工期和蓄水后的大主应力等值线,可以看出,蓄水后,心墙应力增加,而上游坝壳的应力稍有降低.3.3.2坝壳应力值的确定图9给出了蓄水后坝体典型断面上小主应力等值线.比较图4和图9,可知蓄水后上游坝壳的小主应力明显降低.但没有拉应力出现,表明上游坝壳不会出现拉裂缝.3.3.3坝壳应力水平图10给出了蓄水后坝体典型断面上应力水平等值线.比较图5和图10可知,蓄水后,上游坝壳的应力水平较高,这是由于心墙在水压力作用下向下游位移使得上游坝壳的小主应力显著减小而引起.由于这种应力水平的增大仅仅是由于蓄水引起,上游坝壳由于蓄水引起的位移应是向下游的,而不是向上游的,因此不会导致坝壳整体滑动.3.4水库储水期3.4.1蓄蓄温对坝体顺河向水平位移的影响图11给出了蓄水期坝体典型断面上顺河向水平位移等值线.比较图6和图11可知,蓄水后,坝体顺河向水平位移有所增加.蓄水后的最大水平位移达144.25cm,占最大坝高0.45%.对上游坝壳而言,比较图6和图11可知,由于蓄水引起的位移增量是向下游的,因此,蓄水不会导致上游坝壳整体滑动.3.4.2坝体沉降分析图12给出了蓄水期坝体典型断面上的沉降等值线.比较图7和图12可知,蓄水后,坝体稍有上抬,蓄水后的最大沉降为275.36cm,占最大坝高的0.87%.这主要是由于上游坝壳受到浮托力的影响所致.4工工地质和坝体应力对坝体典型断面进行了平面应变条件下的有限元计算,分析了坝体竣工期和蓄水期的应力变形,得出如下结论:1)心墙内没有出现拉应力,出现拉裂缝可能性不大;2)竣工期的下游坡水平位移明显比上游坡