心墙堆石坝坝体变形有限元分析

第３５卷第２期　２０１３年２月　华电技术　Ｈｕａｄｉａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．３５　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．２０１３　心墙堆石坝坝体变形有限元分析　陈立成　，杨培章　（１．四川华电西溪河水电开发有限公司，四川西昌四川成都６１５０００；２．四川华电木里河水电开发有限公司，　６１００１６）　摘要：以某心墙堆石坝为实例，采用三维静力有限元法，详细模拟了工程地质条件和施工顺序，基于邓肯一张Ｅ—日模　型，分析了不同蓄水方案的大坝坝体变形规律。　关键词：心墙；堆石坝；变形；敏感性　中图分类号：Ｏ　３１６：ＴＶ　６１４．４　１　文献标志码：Ｂ　文章编号：１６７４—１９５１（２０１３）０２—００２１—０３　０引言　心墙堆石坝具有施工简单、造价低、速度快、对　自然条件适应性强等优点，因而备受坝工界青睐。　我国百米以上高度的土石坝已超过２０座（如双江　口坝高３１４．０　ｍ、古水坝高３０５．０　ｍ、两河口坝高　２９２．０ｍ、糯扎渡坝高２６１．５　ｍ、水布垭坝高２３２．０　ｍ　等），这些高坝大水库水电工程所在地地质环境复　杂、边坡高陡、坝高库大、失事后果严重，如何科学合　理模拟其大坝变形与应力状态，揭示高堆石坝破坏　机制与模式，准确把握其静、动力特性，对大坝安全　意义重大。　向下游为正，取坝轴线为Ｙ轴零点；Ｙ轴为沿坝轴线方　向，指向左岸为正；　轴为竖直方向，指向上方为正。　计算模型网格划分时，以六面体８节点空间实体　单元为主，对于某些复杂结构使用五面体单元进行过　渡。计算模型划分得到３１　７９１个实体单元，其三维有　限元网格如图２所示。考虑大坝受力和变形的实际　情况，采用位移约束条件。将地基底面设置为　，Ｙ，　方向约束，上、下游地基两端设置为　方向约束，两岸　岸坡设置Ｙ方向约束，坝体部分均不设约束。　堆石坝施工采用分层碾压填筑，且堆石体呈明显　的非线性特性，则堆石坝有限元模拟载荷采用逐级施　加的方式，因此，在建立坝体有限元模型时，将坝体材　料分层填筑上升。堆石坝最大坝高为１３６　ｍ，分２０级　模拟坝体施工填筑的过程。水库蓄水采用５级蓄水　１工程概况　某心墙堆石坝为某个流域水电开发的龙头水库　工程，最大坝高１３６　ｍ，坝顶宽度１２　ｍ，上游坝坡　１：２．０，下游坝坡１：１．８，坝基覆盖层最大厚度约　的方式来模拟，第１级为死水位２４７５．００ｍ，最后１级　为正常蓄水位２５４０．００ｍ。　考虑到施工与蓄水的先后顺序，对工程的安全和　经济效益有很大的影响。故本文分２种蓄水方案进　行模拟堆石坝的静力有限元特性分析，因后续蓄水过　程不同，可分为竣工后蓄水和先期蓄水２种方案。　２种方案均按２６级进行加载荷，前１４级加载　１００　ｍ，大坝防渗系统采用砾石土直心墙加混凝土垂　直防渗墙方案。两岸岩体卸荷强烈、透水性较强，心　墙堆石坝典型剖面分区布置如图１所示。　２计算模型　计算模型坐标系规定为：　轴为顺河流方向，指　图１心墙堆石坝典型剖面分区布置图　收稿日期：２０１２—０２一ｌ９；修回日期：２０１２－０３—１２　荷过程相同，具体加载荷方式如下。　方案１。　・２２・　华电技术　第３５卷　（２）２—１４级计算模拟施工至高程２５００．００　ｍ。　（３）ｌ５～１６级蓄水至２４９０．００ｍ。　（４）１６～２３级填筑至坝顶高程２５４４．００ｍ，即坝　顶高程。　（５）２４—２６级蓄水至正常蓄水位２５４０．００ｎｌ。　综合２种方案可以看出，后者可提前产生发电　效益。　从堆石坝的坝体材料的试验资料，经过非线性　有限元相关理论的分析，选取邓肯一张Ｅ—Ｂ模型　作为坝体材料的本构模型。经过现场取料和室内三　轴试验可以得出坝体材料参数，结果见表１。　（１）１级为基岩及覆盖层初始地应力计算图２，．心　三苎　兰　…　３计算成果分析　～　。　（２）２～１４级计算模拟施工至高程２５００．００ｍ。　按２种不同的方案，采用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ分析堆石　（３）１５～２１级继续施工至高程２５４４．００ｍ，即坝　坝静力有限元特性，得到的相应坝体变形特征值见　顶高程。　表２，坝体变形等值线如图３～图８所示。２种比较　（４）２２～２６分级蓄水至正常蓄水位２５４０．００ｍ。　方案的计算结果如下：　方案２。　（１）竣工与先期蓄水方案的水平、垂直位移变　（１）１级为基岩及覆盖层初始地应力计算。　化规律一致，位移量值有一定差异。　表１堆石坝坝体材料Ｅ—Ｂ模型参数　注：Ｒｆ为破坏比；　为初始变形模量基数；ｎ为反映变形模量与围压之间关系的参数；Ｋ　为卸载模量；　为　的　基数；ｍ为反映Ｋ随围压增长的速率参数；ｐ，△　为摩擦角和摩擦角增量。　表２堆石坝典型剖面应变计算结果　注：对于水平位移：“一”表示向上游方向，“＋”表示向下游水平位移。　第２期　陈立成，等：心墙堆石坝坝体变形有限元分析　・２３・　（２）坝体填筑完成并蓄水至２４９０．Ｏ０　ｍ高程　时，先期较竣工蓄水向上、下游水平位移分别减小　３．７５　ｃｍ和５．９７　ｃｍ，占竣工蓄水方案的８．８０％和　９．６０％；垂直沉降小ｌ６．６５　ｃｍ，占９．２０％。即先期　蓄水位移均小于竣工后蓄水位移。　图３竣工后蓄水方案竣工工况水平位移　（３）正常蓄水位工况，先期较竣工蓄水向上、下　游水平位移分别减小ｌ１．７２　ｃｍ和增大２．５７　ｃｍ，占　竣工方案的２８．２０％和３．４０％；垂直沉降小１８．３６　ｃｍ，占１０．３２％。　（４）从垂直沉降的等值线可以看出，２种方案的　最大沉降位移坝体的下部１／３—１／２坝高附近的部　位，但是竣工后蓄水的部位是心墙，而先期蓄水的部　位是心墙上游。　图４竣工后蓄水方案竣工工况垂直位移　４结束语　本文以某心墙堆石坝为例，采用三维静力有限　元法，详细模拟工程地质条件和施工顺序，基于邓　肯一张Ｅ—　模型，分析了不同蓄水方案的大坝坝　圈５竣工后蓄水方案正常蓄水位工况水平位移　体变形规律。结果表明，堆石坝坝体变形符合土石　坝一般规律，邓肯一张Ｅ一日模型适用于该坝的变　形分析。竣工后蓄水方案和先期蓄水方案的坝体应　力变形规律一致，仅量值存在差异。　参考文献：　图６竣工后蓄水方案正常蓄水位工况垂直位移　［１］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［Ｍ］．北京：中国水利　水电出版社，２００３．　［２］殷宗泽．土体本构模型剖析［Ｊ］．岩土工程学报，１９９６，１８　（４）：９５—９７．　［３］钱亚俊．高心墙坝应力变形特性研究［Ｄ］．南京：南京水　利科学研究院，２００５．　图７先期蓄水方案正常蓄水位工况水平位移　［４］殷宗泽．高土石坝的应力与变形［Ｊ］．岩土工程学报，　２００９，３１（１）：１—１４．　（本文责编：王书平）　作者简介：　陈立成（１９８３一），男，黑龙江绥化人，助理工程师，工学　硕士，从事水工结构工程及基础工程方面的研究工作　图８先期蓄水方案正常蓄水位工况垂直位移　＜＞●＜＞●ｏ●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●◇（Ｅ－ｍａｉｌ：１２５６２５３０３＠ｑｑ．ｃｏｒｎ）。　●０●０・＜＞●ｏ●＜＞・ｏ●＜＞●＜＞。ｏ●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●ＯＱ＜＞‘＜＞●＜＞●ｏ●＜＞●　●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞‘０广告索引　燃煤电厂华电技术……………………………………………（封面）　－．…………………………………………・（封三）　华电环保系统工程有限公司（跨版）　…………（前插４，５）　华电水务工程有限公司（跨版）………………（前插６，７）　沁阳市东利银建实业有限公司（跨版）　………（前插８，９）　２０１３中国分布式能源产业与应用展览会………（前插１０）　太阳能热发电站运行操作培训班………………（前插１１）　华电重工股份有限公司………………………（目次页、右）　华电分布式能源工程技术有限公司（跨版）………（封二）　华电郑州机械设计研究院有限公司………………（封底）　华电分布式能源工程技术有限公司（跨版）……（前插１）　华电重工股份有限公司（跨版）………………（前插２，３）