堆石流变对混凝土面板堆石坝蓄水期应力变形的影响分析

笙塑璺笙三中国水能及电气化No．Il(TOTALNo．128)2015年11月ChinaWaterPower&ElectrificationN0v．2015DOI：10．16617／j．cnki．11-5543／TK．2015．11．018堆石流变对混凝土面板堆石坝蓄水期应力变形的影响分析金棋武江晓一(1．浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心，浙江杭州310012；2．中国国电集团温岭江厦潮汐试验电站，浙江台州317528)【摘要】本文对双溪口面板堆石坝在蓄水期采用三维非线性弹性有限元法进行了应力变形计算。观察坝体、面板的应力和变形情况，并就堆石流变对坝体、面板应力和变形的影响进行了分析研究。结果表明：考虑堆石的流变效应后，坝体变形有所增加，特别是对面板的应力变形状态影响很大。可见蓄水后的堆石料流变对面板堆石坝的安全影响重大。【关键词】混凝土面板堆石坝；蓄水期；堆石流变；应力应变中图分类号：TV641．4+3文献标识码：A文章编号：1673-8241(2015)1141061-05ImpactanalysisofrockfillrheologyonconcretefacerockfilldamstressdeformationduringimpoundmentperiodJINQiwu，JIANGXiaoyi(1．ZhejiangWaterConservancyandHydropowerEngineeringQualityandSafetySupervisionManagementCenter，Hangzhou310012，China；2．ChinaGuodianGroupWenlingJiangxiaExperimentalTidalPowerStation，Taizhou317528，China)Abstract：3DnonlinearelasticfiniteelementmethodisadoptedinShuangxikoufacerockfilldamdudngimpoundmentperiodforstressdeformationcalculation．Stressanddeformationofdambodyandpanelareobserved．Influenceofrocldilltheologyondamandpanelstressanddeformationisanalyzedandstudied．Resultsshowthatafterconsideringtherheologyeffectofrockfill，damdeformationisslightlyincreased，andtheinfluenceonpanelstressdeformationstateisgreat．ItisobviousthattherockfilltheologyhassignificantinfluenceOHsafetyoffacereckfilldamafterimpounding．Keywords：concretefacerockfiUdam；impoundmentperiod；rockfillrheology；stressandstrain混凝土面板堆石坝堆石材料占坝体总体积的建并投入运行的面板堆石坝中，通过原型观测，堆石90％以上，堆石体的变形直接关系到面板强度标准及的流变现象均较为明显H。本文对双溪口面板堆石裂缝控制、止水要求，甚至危及坝体的稳定。我国已坝在蓄水期采用三维非线性弹性有限元法进行了应力本研究为浙江省水利厅科技计划项目(RC1327)。67 科学研究及工程设计ScientificResearch＆EngineeringDesign变形计算，并对考虑流变效应和不考虑流变效应两种d㈩情况下坝体及面板应力和变形的不同结果作了比较分假定堆石料的体积流变与剪切流变都可以用式析，以此探讨堆石流变对混凝土面板堆石坝的影响。(1)描述，且具有相同的衰减规律，则由式(2)得1流变产生机理及堆石流变本构模型体积变形和剪切变形的速率分别为：毒=c8e-c(5)1．1流变产生机理音：cre(6)混凝土面板堆石坝堆石料颗粒之间的连接方式为计算时，对体积流变、剪切流变与直角应力应变简单的邻接接触和交合连接，随着时间的推移，堆石之间的关系，采用Prandtle．Reuss流动法则进行转换。料在大坝高应力作用下，可能因颗粒破碎或滑移而不断地产生新的变形，使堆石颗粒之间的变形和应力经2双溪口混凝土面板堆石坝蓄水期流变分析过自身的调整后达到新的平衡，宏观上大坝会产生竖2．1工程概况向和水平位移。对面板堆石坝而言，即使在坝体蠕变变形和位移量较小的情况下，在相对很薄的刚性面板双溪口水库坝址位于余姚市姚江支流大隐溪上，中产生的附加应力也可能导致面板开裂或压碎，使面距余姚城区22km，是以供水、防洪为主，结合灌溉、板漏水而失效。发电等功能的Ⅱ等综合水利工程。水库集水面积40．01km。1．2堆石流变本构模型，总库容3398万m。大坝坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高52．1ITI，坝顶宽6．9m，长426m，现阶段大坝的流变变形分析主要采用过应力模型大坝上游坡坡比为1：1．4，下游坡坡比为1：1．3，在和滞后变形两种模型。下游23m、39m、54m高程处，设置三级3m宽的应力理论最早由Perzyna(1966年)提出，将屈马道。服面和土的黏滞性结合，1979年Zienkiewicz等进一工程于2005年12月开工建设，2009年2月面板步完善并提出了相应的数值计算方法。滞后变形的概开始浇筑，4月底面板浇筑完成，5月底下闸蓄水。念最早由BjeITUm(1967年)提出，它假定材料的黏2．2计算模型性只与弹性相联系，任何一个弹塑性模型加上蠕变2．2．1有限元几何模型项，即得到相应的滞后变形模型。国内沈珠江于1994年在双屈服面模型的基础上，提出了一个加上开尔文一般基岩上面板坝更能直观地反映变形规律，此模型的蠕变项，组成滞后变形模型。次计算考虑去除覆盖层地基的影响，单独研究坝体力学性态，地基按刚性基岩考虑。采用三维自动剖分程采用滞后变形理论考虑堆石料的蠕变特性，用初应变法计算土体的黏滞荷载，直接采用经验模型。本序剖分坝体单元，三维有限元计算坝体单元划分为六文用下面指数型曲线表示堆石的流变特征：面体单元和少量过渡的四面体和五面体单元。坝体断面剖分单元总数为13440个，结点总数为14868个，8(z)：，(1一e一)(1)模型包含各区堆石体、面板、趾板等实体单元，周边相应的应变速率为：缝及竖缝等连接单元，面板与垫层间的接触面单元。童=cese(2)三维整体有限元见图1。本构模型参数见表1。混凝体积与剪切流变计算根据试验研究结果分别采用土面板、趾板采用线弹性模型，其参数指标为：密度如下关系式：2．45m，弹性模量20GPa，泊松比0．167。考虑到s6(0"3)(3)该坝的堆石料主要为凝灰岩，其岩性属于中等硬度， 科学研究及工程设计ScientificResearch＆EngineeringDesign暂时选用与鲁布革心墙堆石坝材料一致的流变参数。表1三维计算本构模型参数yd／妒0／，材料类型nm(g／om)(。)(。)垫层料2．2552．O9．00．75l10oO．35420O．21过渡料2．2251．O8．O0．75980O．28380O．20主堆石料2．2055．OlO．O0．83970O．3O350O．19次堆石料2．0552．0l3．OO．787900．40330O．22接触面36．60．7448000．562．2．2坝体填筑加载过程图1三维整体有限元网格坝体填筑共分22级，具体加载过程见表2。表2坝体填筑加载过程次序部位次序部位第1级全断面填至24．03m高程第12级全断面填至59．95m高程第2级全断面填至27．83m高程第13级全断面填至63．01in高程第3级全断面填至31．63m高程第14级全断面填至66．07m高程第4级全断面填至35．42m高程第15级面板一次性浇筑至66．07m高程第5级全断面填至39．04m高程第16级模拟蓄水至27．83m高程第6级全断面填至43．02m高程第l7级模拟蓄水至35．42m高程第7级全断面填至45．12m高程第18级模拟蓄水至43．02m高程第8级全断面填至47．85m高程第19级模拟蓄水至47．85m高程第9级全断面填至50．94m高程第2o级模拟蓄水至54．02m高程第1O级全断面填至54．02m高程第21级模拟蓄水至59．95m高程第11级全断面填至56．99m高程第22级模拟蓄水至正常蓄水位65．30m高程2．3计算结果与分析表3计算成果(蓄水期)项目不考虑流变考虑流变经过三维非线性弹性有限元计算，得到了面板堆堆石体竖向位移铅直向下一19．40—32．O2石坝的堆石体和面板正常蓄水位下各主要物理量的分位移／向上游一0．51O布，关键处将加入考虑流变的计算结果与不考虑流变水平位移向下游4．738．75计算结果的对比。第一主应力／MPaO．88O．88堆石体第三主应力／MP2．3．1对坝体应力应变的影响a0。260．2l应力面板堆石坝的堆石体在正常蓄水期考虑流变与不最大应力水平O．510．45考虑流变情况下的最大水平位移、最大沉降以及大、小主应力极值等计算成果见表3。考虑流变情况下，面板坝河床典型断面在蓄水期水平位移、垂直位移、大小主应力及应力水平的等值线见图2～图6。a．堆石体变形分析。考虑流变作用的情况下，向下游移动的最大位移值为8．75cm，发生在坝体上图2坝体蓄水期水平位移等值线游侧面板部位，下游坝坡向下游侧最大变形增加为(含流变)(单位：cm)6．24cm；在水荷载作用下，坝体的竖向位移量值及位 科学研究及工程设计ScientificResearch＆EngineeringDesign的0．32增加至0．45，虽然蓄水导致两区应力水平增大，但坝体各区依然是稳定的，未出现应力水平接近于1．0的破坏区域。不考虑流变作用的情况下，大主应力最大值为0．88MPa，小主应力最大值为0．26MPa，应力水平最大值0．51。可见，流变作用有利于坝体应图3坝体蓄水期竖向位移等值线力变得更为均匀。(含流变)(单位：cm)2．3．2对面板应力应变的影响面板堆石坝的面板在正常蓄水期考虑流变与不考虑流变情况下的应力变形等计算成果见表4。考虑流变的情况下，蓄水期面板挠度、面板坝轴向位移、面板顺坡向应力、坝轴向应力见图7～图12。表4混凝土面板计算成果(蓄水期)项目不考虑流变考虑流变图4坝体蓄水期大主应力等值线坝轴向向右岸1．404．79(含流变)(单位：MPa)面板变形／向左岸1．O8—3．83挠度向坝内6．5614．79拉应力顺坡向面板应力／压应力2，44357MPa拉应力一O．71一O．86坝轴向压应力1．221．36法向沉陷25周边缝错动图5坝体蓄水期小主应力等值线剪切512变形／(含流变)(单位：MPa)张拉33拉压压缩410-60—-4U—0UU204060图6坝体蓄水期应力水平等值线(含流变)置较竣工期略有增加，增加为32．02cm。不考虑流变作用的情况下，向下游移动的最大位移值为4．73cm，图7蓄水期面板挠度(含流变)坝体的竖向位移量值为19．40cm。b．堆石体应力及应力水平分析。蓄水期坝体面a．面板变形分析。考虑流变作用下，蓄水期坝板受水荷载的作用，大、小主应力线出现上抬并与面体受水压力的推动，整体向下游侧移动，面板向下游板相交。考虑流变的情况下，大主应力最大值为挠度为14．79cm，挠度最大值位于面板顶部；而不考0．88MPa，小主应力最大值为0．21MPa；应力水平最虑流变的情况下，面板挠度仅为6．56cm，挠度最大值大值0．45，主要发生在下游次堆石区底部，由竣工期位置也发生了变化，发生在面板中部略微偏下部位。