某水库围坝数值模拟研究

2020-06-03徐广忠

黑龙江水利科技 2020年4期

徐广忠

(丹东市水务服务中心，辽宁丹东 118000)

0 引言

水库大坝是一种起到调节区域内水流和雨季拦截山洪同时旱季蓄水储存功能的水利工程建筑物。在我们所研究的区域的水文方面存在着支线取水与干线输水之间时空分配的矛盾，需要某水库提供蓄干线引江水量的功能，使支线取水与干线输水的问题同时得到解决，同时也为南水北调工程中输水干线供水目标的完成提供了保障，所以作为水库的主要组成部分的水库大坝的安全设计是至关重要的。杨星和许健在类似的小湾河水库土石坝工程中，选取秦安小湾河混凝土面板堆石坝坝体典型剖面，利用ANSYS软件建立模型和划分网格，进行二维有限元应力应变计算，结果表明：坝体位移及应力应变满足安全要求[1]。还有唐克东、于锐锋等人做了某平原水库围坝截渗墙的应力应变分析，应用非线性有限元法对其进行应力分析，结果指出：在施工及水库蓄水过程中，坝体和地基受力及位移符合要求，能够保证坝体安全。丁磊采用可视化分析软件SDAS对沥青混凝土心墙坝进行数值模拟，得出心墙不会出现剪切破坏的结论[2-3]。林成刚和周杰以西部某中型水库土石坝工程为研究对象，采用非线性静力有限元法，揭示典型工况土石坝除险加固前后坝基、坝体及防渗墙的应力场分布，对除险加固前后的坝体静力稳定性进行了评价。吕静静和卢玲以青海省海西州老虎口水库坝型为例，对大坝进行应力应变分析，发现了深厚覆盖层上面板坝的应力变形规律。胡金莲、曹婉和李天河为了解三峡左岸大坝应力应变的工作性态及变化趋势，选择大坝的14号关键坝段对坝体的应力应变进行分析，分析表明，坝体应力应变在设计的混凝土标号的抗压、抗拉强度范围内，其分布及变化符合重力坝一般规律。刘斯宏和汪易森采用改进的邓肯-张模型对天荒坪上水库主坝进行了三维应力应变分析，与真实结果做对比发现基本吻合。贾慧鹏对张峰水库大坝原型沉降观测资料进行进一步分析，再将计算结果与原型观测资料进行对比,不符合时采用优化方法调整参数，直到计算结果与原型观测资料基本相符为止，得到了合适的参数。文章基于邓肯-张双曲线计算模型，选用加拿大岩土工程设计分析软件Geostudio中的应力应变分析模块(Sigma/W)，对某水库围坝进行了应力应变分析方面的数值模拟，验证了数值模拟得出的施工完建期和蓄水期两个工况下的坝体与坝基应力、位移与稳定性，同时对比了施工完建期和蓄水期两种工况下坝体与坝基应力、位移与稳定性的变化。

1 工程概况

水库围坝的建筑物级别为2级。坝顶的高程为31.75-32.70m，上游侧有1.1m高的防浪墙，主要构成为浆砌块石，墙顶的高程为32.75-33.80m，坝顶的宽度为7.5m。上游坝坡1∶2.75，下游坝坡1∶2.5，在26.0m高程处设2.0m宽戗台。截渗沟作为十分重要的一部分设置在下游的弃土压重平台坝脚外10.0m处，底的宽度为1.5m，边坡12.0，平均深度为3.0m，干砌块石护坡为0.2m，碎石垫层厚度为0.15m、反滤层由250g/m2的土工布构成。水库最高蓄水水位为30.0m。

2 应力应变计算

2.1 计算理论

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001要求，围坝应进行沉降分析，计算在土体自重及其他外荷载作用下坝体和坝基的应力、变形。有限元法作为一种十分简便有效且精确的方法，非常适用于建设在复杂软弱地基上的水库围坝以及1、2级的高坝这一类工程，同时它还可以对这一类工程的应力和位移情况进行计算分析。

2.2 计算模型

在对水库围坝土体进行应力与位移方面的数值模拟分析时，怎样确定材料的计算模型和应力位移关系是本次研究的一大重要问题。在目前的专业领域来看，邓肯-张双曲线计算模型有着非常成熟的体系且计算简便快捷同时也满足本次研究对计算精度的要求，因此我们选用它对大坝进行非线性分析。

切线模量为：

(1)

式中：Et为土的切线模量(MPa)；σ1,σ3为大小主应力(MPa)；c,φ为土的凝聚力和内摩擦角(°)；K,n为土的模量系数和模量指数； Rf为土样破坏时的应力称为破坏应力差(σ1-σ3)f，它总是比应力差极限(σ1-σ3)u小，令：

Pa为大气压力(MPa)。

本次研究采用非线性分析的方法对土体进行一系列计算分析，其核心方法就是增量法。不过需要充分注意的是，在计算时一定要修正剪坏以及拉裂这两个方面，因为一旦忘了修正这个步骤，不仅这一次的计算要重新进行，之前的计算分析结果也要进行准确性的再评估，同时固结压力作用历史与卸荷的影响也必须要考虑进来。切线泊松比：根据某些试验结果，邓肯-张假定轴向应变εn侧向应变εr之间，存在双曲线关系，即：

(2)

式中：f，d待定系数。由此可推导出切线泊松比为：

(3)

(4)

式中：g、F为试验常数。应力增量与应变增量的关系为：

(5)

2.3 计算方法

1)土石坝的非线性有限元分析：美国人克劳夫(Clough)和伍德沃德(Woodward)在1967年第一次把有限单元法应用于土石坝非线性分析当中以来，之后的几十年里，模拟施工逐级加荷的方法也在坝体应力计算方面正式展开了使用，并且取得了巨大的成就，最实用的就是大大减少了工程的计算量，极大的提高了这一类工程的效率。而在这之后被广泛采用的非线性有限元方法也在土石坝的应力应变分析中起到了巨大的作用，普遍得到了业内的认可。首先这种方法的精度满足大多数研究的要求，其次它也能够比较真实地反映真实施工的情况。国内外在之后的研究也多次用到了这个方法。

2)施工逐级加荷：采用增量法的优点有：①充分考虑荷载的逐级施加，并且能把各施工阶段的应力变形都详尽的计算出来；②经过这种施工逐级加荷计算后，结构本身的随着施工填筑而变化所产生的对应力与位移的影响能够被详尽的反映出来。

2.4 计算工况

1)施工完建期。

2)蓄水至设计水位30m。

2.5 计算软件

计算软件方面选用选用加拿大岩土工程设计分析软件Geostudio中的应力应变分析模块(Sigma/W)。因为它具有这样的优点：全套全面模型公式，在使用之后简单的岩土问题它不但可以轻松解决，对于线性弹塑性、非线性弹塑性、非线性等高度复杂的岩土问题它还可以进行详尽的计算分析。

2.6 计算参数

邓肯模型参数见表1。

表1 邓肯模型计算参数

2.7 计算结果及分析

Sigma/W程序中，用户可以在一个文件中建立初始应力模型和动态荷载变形模型，详细的施工过程可以按次序进行模拟，大坝模拟施工过程分8级加荷，计算模型如图1所示。

图1 南坝(4+464-5+178)分层施工模拟图(施工完建期)

2.7.1 施工完建期

1)坝体及坝基应力：在施工期，南坝坝体及坝基单元的应力分布及数值均符合一般土石坝的受力特点，坝体内的水平应力、竖向应力与大、小主应力的整个趋势都是随深度增加的，坝基底部的最大主应力为678.8kPa，坝体及坝基内没有出现拉应力，仅在坝坡表面及下游压重上部出现很小一部分的受拉区，对坝体稳定影响不大，也不会出现影响大坝安全的裂缝，如图2-图5所示。

图2 南坝4+753断面施工期竖向应力云图(kPa)

图3 南坝4+753断面施工期水平应力云图(kPa)

图4 南坝4+753断面施工期最大主应力云图(kPa)

图5 南坝4+753断面施工期最小主应力云图(kPa)

坝体底部出现了最大剪应力，同时其位移分布规律与真实情况做对比发现基本相符和。最大剪应变出现在坝轴线附近的坝基2层黏土部位及2-1层淤泥质黏土部位，与塑性破坏区域相对应，如图6、图7所示。

图6 南坝4+753断面施工期最大剪应力云图(kPa)

图7 南坝4+753断面施工期最大剪应变云图

2)坝体及坝基位移：坝体内分层水平位移最大值发生在坝脚处，最大值在上游侧为-0.2297m，在下游侧为0.2287m，竖向位移最大值发生在坝体底部，最大值为-0.7019m(图中，“-”表示方向向下)，水平位移在上游侧偏向上游(图中，“-”表示偏向上游)，在下游侧偏向下游。如图8、图9所示。

3)判断塑性破坏区域：如图10所示，图中深色区域代表发生塑性破坏的区域，在坝轴线处的坝基2层黏土部位及2-1层淤泥质黏土部位出现了小范围的塑性破坏区，对大坝的稳定可能有影响，坝脚压重是必要的。

图8 南坝4+753断面施工期竖向位移云图(m)

图9 南坝4+753断面施工期水平位移云图(m)

图10 南坝4+753断面大坝塑性破坏区(深色区域)

4)判断坝坡稳定性：图11和图12是通过有限元法计算出的上下游坝坡的滑弧位置，与最大剪应变图(图7)比较可以看出，二者基本满足分布规律，表2是分别按有限元法与毕肖普法计算得出的南坝施工期坝坡的稳定系数，同样，用有限元法计算出的结果较小一些。分析其原因，主要是滑弧形状有差异，有限元法计算的滑弧底部在软黏土层有一段平直段，考虑了可能的塑流问题。