基于abaqus的混凝土面板堆石壩穩(wěn)定性分析

1混凝土面板堆石壩的設(shè)計實(shí)踐由于混凝土板堆填石壩施工時間短，地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，庫材料來源廣泛，抗疲勞防滑性能好，近年來成為一支才華橫溢的水庫，迅速成為一座高山。中國200.250米高的混凝土板巖水庫已處于設(shè)計研究和施工階段。常規(guī)混凝土面板堆石壩的典型設(shè)計斷面呈梯形,壩體依河谷與岸坡地形填筑而就,上下游壩坡坡比多為1:1.4~1.5,壩基位于河床上。為利用地形條件并為了減少開挖量,某混凝土面板堆石壩設(shè)計方案為:利用山脊的天然坡面,清除地表強(qiáng)風(fēng)化、破碎巖石和倒懸體,然后分別貼巖坡填筑堆石料,形成混凝土面板壩上、下游坡,竣工后壩體典型斷面呈“∧”型(圖1),成為國內(nèi)比較罕見的貼坡型混凝土面板堆石壩。顯然,此類堆石壩的應(yīng)力變形規(guī)律與常規(guī)面板堆石壩有所不同。采用非線性有限元法預(yù)測常規(guī)混凝土面板堆石壩變形應(yīng)力的成果較多,但有關(guān)貼坡型混凝土面板堆石壩的分析研究成果鮮見公開報道。本文基于ABAQUS2次開發(fā)平臺,采用自主開發(fā)的Duncan-Chang本構(gòu)模型,對國內(nèi)某貼坡型混凝土面板堆石壩進(jìn)行了壩體應(yīng)力與變形分析,計算成果能為優(yōu)化設(shè)計提供合理的建議和有效的措施。2模型計算參數(shù)國內(nèi)某貼坡型混凝土面板堆石壩壩壩軸線走向?yàn)?05°,壩頂高程為482.5m,從上游趾板建基面算起最大壩高50.5m,下游建基面算起最大壩高92.1m。壩頂寬度為10m,上下游壩坡均為1:1.4。壩體自上游至下游依次分為墊層區(qū)(IIA區(qū))、過渡區(qū)(IIIA區(qū))、堆石區(qū)(IIIB區(qū))。墊層區(qū)水平寬度為3m,過渡區(qū)水平寬度為4m。堆石區(qū)設(shè)計為均質(zhì)體,無主次分區(qū)。堆石區(qū)下游坡面壩基設(shè)2.8m厚接坡帶,上游坡面壩基和兩岸坡面設(shè)水平寬為2m的接坡帶,接坡料采用過渡料。壩體分3期填筑,其典型斷面及分期填筑方案如圖1所示,面板澆筑不分期。采用目前工程界應(yīng)用較為廣泛的鄧肯雙曲線E-B模型模擬堆石料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,其材料參數(shù)見表1。由于基巖材料的力學(xué)性能比堆石體好得多,計算中未考慮基巖對壩體應(yīng)力變形的影響。面板混凝土采用線彈性模型,重度ρd=25.0kN/m3,彈性模量E=20GPa,泊桑比ν=0.167。考慮到混凝土面板與墊層料之間的材料特性相差很大,在ABAQUS中用面面接觸來模擬二者之間的接觸效應(yīng)。混凝土面板垂直縫和周邊縫的設(shè)置,會導(dǎo)致位移和變形的不連續(xù),需采用位移和變形不連續(xù)的縫單元模擬其特性。計算中,對其受拉垂直縫和周邊縫,變形模量采用接近0的小量消除張拉應(yīng)力;對于受擠壓垂直縫和周邊縫,采用混凝土材料特性模擬擠壓效應(yīng)。面板和壩體均采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬,少量6節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元過渡,三維有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為12559,單元數(shù)為10645,計算規(guī)模較大,離散網(wǎng)格如圖2~3所示。計算工況考慮竣工期和正常蓄水期。竣工期計算荷載為堆石體自重,壩體上、下游無水,按臨時斷面上升考慮模擬施工過程,其中第1~13級模擬1期下游壩體填筑;第14~18級模擬2期上游壩體填筑;第19~23級模擬壩體上下游同步填筑至壩頂;第24級模擬面板施工過程蓄水期計算荷載為水壓力,從25~32級模擬蓄水過程中下游坡面無水。3接觸算法的數(shù)值計算考慮到混凝土面板與墊層料之間的材料特性相差很大,在ABAQUS中用面面接觸來模擬兩者之間的接觸效應(yīng)。接觸問題必須是增量過程求解。在每個增量步開始,首先考察接觸面對的狀態(tài):如果是張開,需要解除約束關(guān)系,否則建立約束關(guān)系;然后開始增量步計算,完畢進(jìn)行接觸狀態(tài)校核,如果沒有發(fā)生改變,認(rèn)為本增量計算收斂,否則修改接觸狀態(tài)后重新分析。接觸算法的邏輯過程見圖4。從接觸計算過程可以看出,即使材料特性是線性狀態(tài),接觸分析收斂性也相當(dāng)困難,如果材料狀態(tài)也為非線性,求解過程包括接觸非線性和材料非線性雙重增量加載和平衡迭代。使得在ABAQUS中計算時收斂更加困難,甚至增量步稍大,就出現(xiàn)計算不收斂,本文采用上游壩坡的修整算法,即在鋪設(shè)面板之前,上游坡面先進(jìn)行修平使之達(dá)到設(shè)計坡度,使面板底部以及堆石料上游表面應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)在開始鋪設(shè)面板的時候?yàn)?,這樣使得計算很快收斂,且又與實(shí)際施工過程相符。值得注意的是:修坡過程可能導(dǎo)致坡面附近單元出現(xiàn)拉、剪破壞,故修坡過程中應(yīng)同時進(jìn)行“應(yīng)力遷移”計算。上述上游壩坡修整算法保證了壩體的平衡狀態(tài)和變形協(xié)調(diào)狀態(tài)。4計算與成就分析4.1壩體工程施工期竣工期和蓄水期兩種工況下壩體的位移值比較小,最大垂直沉降都發(fā)生在壩址埡口附近,與常規(guī)混凝土面板堆石壩的變形基本相似,水荷載對壩體的沉降等值線分布影響很不大。壩體水平位移的分布規(guī)律完全不同于常規(guī)混凝土面板堆石壩,水平位移最大值發(fā)生在下游坡腰,上游坡的變形非常小,水荷載作用較明顯地改變了壩體水平位移等值線分布,隨著水位上升向上游水平位移逐漸減小,而向下游水平位移逐漸增大,水平位移0等值線逐漸向上游偏離壩軸線,見圖5~6。下游階梯狀建基面對阻止壩體位移有一定的效果;與常規(guī)壩型類似,壩體蓄水產(chǎn)生的位移增量比較小。竣工期和蓄水期壩體應(yīng)力值較低,壩體的大小主應(yīng)力的最大值都出現(xiàn)在壩體底部,如圖7所示。竣工期上下游應(yīng)力等值線與壩坡趨于平行,水荷載的作用對壩體上游等值線分布略有改變,而對壩體下游應(yīng)力等值線分布影響不大,在下游壩體應(yīng)力等值線仍與壩坡趨于平行,但大主應(yīng)力與常規(guī)混凝土面板壩不同,階梯狀的建基面凸角處有明顯的拉應(yīng)力集中,相應(yīng)部位的應(yīng)力水平較高,但壩體應(yīng)力水平均小于1.0,如圖8所示,即壩體堆石料沒有出現(xiàn)破壞單元,說明壩體是安全的。由表2可知,計算得到的壩體竣工期最大垂直沉降為49.8mm,為壩高的0.1%(相對從趾板建基面算起的最大壩高);蓄水后壩體最大沉降變?yōu)?3.1mm,為壩高的0.12%,蓄水期較竣工期增大了0.02%,較常規(guī)混凝土面板堆石壩明顯偏小,這主要是由于貼坡型面板堆石壩其堆石體的厚度變化較大,而且其主堆石區(qū)的厚度較小。4.2混凝土面板應(yīng)力分析圖9為蓄水期面板順坡向、壩軸向位移以及撓度(垂直于面板的法向位移)等值線云圖。從圖上可以看出,面板法向變位向下游,有向里凹的趨勢,這主要受堆石體變位的影響。蓄水期因?yàn)樯嫌嗡坏挠绊?法向變位增大,其最大值為29mm,從撓度最大值處向外,面板的撓度逐漸減小。混凝土面板壩軸向位移基本對稱,分布呈從兩岸趨向河床中部的趨勢,壩中軸線附近有“0”水平位移,且“0線”的位置略偏向右岸,0線右邊面板有向左岸的位移,0線左邊面板有向右岸的位移;混凝土面板順坡向位移基本沿河道呈對稱分布,最大位移出現(xiàn)在壩中軸線底部附近,最大值為2.1mm。竣工期面板的應(yīng)力在壩軸向和順坡向均以壓為主,而且都不超過混凝土的抗壓強(qiáng)度。在蓄水期,面板在水壓力的作用下主要呈雙向受壓狀態(tài),河床段面板順壩軸線方向主要承受壓應(yīng)力,而兩岸坡處的面板則基本上處于受拉狀態(tài),由于在兩岸周邊縫附近存在一定范圍的拉應(yīng)力,對混凝土面板的開裂有一定的影響。面板順坡向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力,由于面板在水壓力作用下發(fā)生一定程度的彎曲變形,因此面板中部壓應(yīng)力較大,而面板局部地方則出現(xiàn)拉應(yīng)力,拉應(yīng)力最大值約為2MPa。總的來說面板的應(yīng)力分布是正常的,規(guī)律性較好。蓄水期面板周邊縫和垂直縫的位移數(shù)值都不大,一般均在毫米量級。面板中間垂直縫受壓,靠近壩肩兩邊的垂直縫受拉(圖10),其最大張開位移為2mm左右,沉降位移為5mm左右,剪切位移為4mm左右。周邊縫垂直面板方向的沉降最大值為1.5mm,沿岸坡方向的剪切位移最大值為1.6mm,垂直岸坡方向的張開位移最大值為2.9mm。這主要是由于上游堆石料較薄,使得主要受堆石料控制的面板變形較小,從而導(dǎo)致周邊縫和垂直縫的變形較常規(guī)的混凝土面板堆石壩要小。5壩體變形規(guī)律采用常用的鄧肯-張E-B模型計算了某貼坡型混凝土面板堆石壩三維應(yīng)力與變形,得到了貼坡型混凝土面板堆石壩應(yīng)力與變形規(guī)律。計算結(jié)果表明,由于受地形和巖坡開挖形態(tài)的影響,貼坡型混凝土面板堆石壩的壩體變形規(guī)律與常規(guī)混凝土面板堆石壩有較大的不同,水平位移、垂直沉降以及面板的變形都較小,垂直沉降出現(xiàn)在壩址埡口