摘 要:本研究中以xx粘土心墙堆石坝工程实例为计算分析对象,应用中点增量法对粘土心墙堆石坝坝体在八级加载状态下的变形以及应力情况进行了计算分析。三维非线性有限元分析结果显示:该工程粘土心墙堆石坝应力应变符合基规律,坝体应力形态以及变形形态基本良好,心墙坝部分垂直方向沉降最大值与已建相关工程观测值基本一致,证实了三维非线性有限元分析计算方法具有高度可靠性。通过以上分析,以期通过对粘土心墙堆石坝进行三维非线性有限元分析的方式,获得粘土心墙堆石坝在应力以及变形方面的基本规律以及表现特征。
关键词:粘土心墙;堆石坝;三维非线性有限元
在坝工建设领域中,土石坝是非常常见的坝型之一。相较于其他坝工形式而言,土石坝的优势表现在(1)对施工现场基础条件的适应性好;(2)投入使用后寿命长;(3)施工期间材料来源简单且方便;(4)现场管理便捷且有效;(5)施工成本造价低等多个方面,故而在当前的坝工建设中得到了非常广泛的应用。但必须引起重视的问题是:虽然土石料的来源简单方便,但其内部性质构成相对复杂,加之目前尚无先进的土石坝土石料结构性能计算与试验方法,因此导致设计与施工存在一定的滞后性。采取何种方法充分了解土石坝的性能与特点,并应用合理算法指导对土石坝的设计与施工作业开展,这一问题已成为目前相关人员的研究热点与重点之一。以下研究中结合xx粘土心墙堆石坝实例,以三维非线性有限元分析方法为研究手段,展开对该粘土心墙堆石坝在坝体变形以及坝体应力方面特点、规律的计算分析,望能够指导工程实践。
1 工程概况
xx粘土心墙堆石坝位于xx地区,工程实测数据显示本粘土心墙堆石坝坝体整体高度为52.2m,坝体顶部宽度为9.0m,马道上方两侧坝坡坡度均为1:1.7,以下两侧坝坡坡度均为1:1.8。粘土心墙堆石坝心墙部分顶部宽度为5.0m,坡度为1:0.25。反滤层方面,左侧层厚厚度为4.0m,右侧层厚厚度为6.0m。坝体宽度最大值为186.5m。死水位状态下相对坝体高程为23.0m,蓄水位状态下相对坝体高程为49.9m。
2 三维非线性有限元计算方法
xx粘土心墙堆石坝坝体施工期间采取逐级填筑的施工方案,为针对这一施工特点与流程进行仿真模拟,体现在时间不断推移过程中荷载作用力持续提升的规律,故中点增量法引入计算分析过程中,以辅助求解三维非线性方程组,这样一来就能够将复杂的非线性问题转变为处理更为简单的单纯性线性问题。三维非线性有限元分析中基本单元设置为六面体八节点等参单元,填充单元分别为五节点空间单元、六节点空间单元、以及七节点空间单元。本工程中整个粘土心墙堆石坝共划分为530个节点以及434个单元。
在对本工程粘土心墙堆石坝进行三维非线性有限元分析计算的过程中,应用逐级增加荷载的方式对施工过程进行模拟,共涉及到八级加载过程。其中,第1~第6级加载均为坝体填筑过程,第7级加载为空库蓄水至死水位过程,第8级加载为死水位至正常蓄水位过程。
3 三维非线性有限元分析结果
3.1 坝体变形特点
本工程粘土心墙堆石坝竣工期间坝体垂直方向沉降最大值为30.60cm,最大垂直沉降作用力发生于坝高1/2区域坝轴线周边。水平位移方面,向上游方向最大值为3.60cm,向下游方向最大值为3.5cm,分别位于中部坝体高上游/下游坝坡面附近,水平方向位移等值线以坝轴线为标准呈现出基本对称状态。本工程粘土心墙堆石坝竣工期间坝顶下沉量为4.0cm。
正常蓄水位状态下坝体垂直方向沉降最大值为34.6cm,数据提示:因蓄水所致粘土心墙堆石坝坝体附加垂直方向沉降值可控制在较小范围内,即对粘土心墙堆石坝坝体沉降等值线分布的影响相对较弱,沉降最大值出现在坝高1/2位置坝轴线附近。当持续蓄水且水位达到正常区间时,蓄水内部水荷载作用力有显著改变,导致坝体上游部位水平方向最大位移值有所下降,且下降值在0.4cm左右,而相对于竣工期而言,下游方向水平位移增大14.6cm,导致整个粘土心墙堆石坝中坝体水平位移等值线在分布规律上产生了明显变动。
3.2坝体应力特点
在竣工期死水位和正常蓄水位坝体的大小主应力最大值出现在坝体底部心墙两侧的反滤过渡区。计算结果显示:在竣工期,垂直方向沉降最大值为30.6cm,垂直方向沉降最大值坝高为0.58%,水平方向向上游位移最大值为3.6cm,向下游位移最大值为3.6cm,大主应力最大值为1.1MPa,小主应力最大值为0.3MPa;在正常水位期,垂直方向沉降最大值为34.6cm,垂直方向沉降最大值坝高为0.66%,水平方向向上游位移最大值为3.2cm,向下游位移最大值为18.1cm,大主应力最大值为1.4MPa,小主应力最大值为0.4MPa。根据计算结果分析可知:对于本粘土心墙堆石坝而言,应力等值线有倾向于平行的变化状态,这一状态发生于在心墙两侧的坝坡区以及坝壳区区。同时,应力集中现象存在于在反滤过渡层当中,这一区间内应力等值线的分布具有驼峰状规律,提示在反滤过渡层以及心墙间可见显著应力拱效应。分析这一规律的产生机制为:由于对于反滤过渡层而言,其自身变形作用力小,但对于心墙两侧坝壳区以及防渗体而言,有较高的应力值,因此反滤过渡层实质上是起到了支撑心墙的作用,导致心墙墙体可见低应力区分布。同时,结合已有研究来看,反滤过渡层相对于对心墙的拱作用是导致心墙内部产生水平裂缝的最直接原因,提示可将应力比作为心墙拱作用的最有效提示指标。该比值较高时,心墙拱作用较大,即心墙内部产生水平方向裂缝的可能性较大;该比值较低时,心墙拱作用较低,即心墙内部产生水平方向裂缝的可能性较小。同时有限元分析结果显示:在竣工期、死水位和正常水位心墙两侧与上、下游反滤过渡层交界附近的1/2坝高处单元的应力水平较高,但都小于1.0,未见塑性区出现,提示整个坝体结构为稳定状态。
4 结束语
经上述分析与计算,数据显示:本工程中粘土心墙堆石坝坝体竣工期水平位移以及竖向位移基本沿坝轴呈对称状态,蓄水后坝体上游坡面相对于库区方向的变位得到了有效控制,但下游坡面相对于下游的变位有所加剧。整体来看:本工程中粘土心墙堆石坝竣工期以及蓄水期竖向位移方面未见明显变化,但对于水平方向位移而言其变化非常显著。与此同时,本工程中粘土心墙堆石坝坝体竖向位移最大位置发生于坝体剖面中部位置,水平位移最大位置则发生于坝体上游/下游坡面1/2~2/3高度区间内。同时,受到反滤过渡层支撑因素的影响,本工程中粘土心墙堆石坝心墙坝防渗体呈现出了非常显著的应力拱效应。同时,在心墙应力分布方面均具有相同规律:即于心墙两侧靠近坝基位置可见最大应力值。且经三维非线性有限元分析显示:本工程中粘土心墙堆石坝蓄水期应力相较于竣工期应力有显著增大趋势,提示该粘土心墙堆石坝心墙坝应力应变符合常规规律,坝体变形形态以及应力分布基本良好。
参考文献
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