砾石土心墙堆石坝应力应变数值分析

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1、砾石土心墙堆石坝应力应变数值分析余定仙，窦维娥，王斌（广东珠荣工程设计有限公司，广东 广州510610）摘 要：以云南为某砾石土心墙堆石坝为例，阐述了基于GeoStudio的土石坝平面有限元应力应变分析，分别对砾 石土心墻坝的拱效应、水力劈裂、竣工期及蓄水期的应力变化及各向变形进行深入分析研究。通过数值分析比对 高坝分期加栽及一次加栽对大坝变形的影响，为工程设计提供可族的数据支持关键词：应力应变；土石坝；分期填筑；非线性中图分类号:TV314文献标识码:B文章编号：1001-9235（2014）01-0054-03#收稿日期：2013-09-02作者简介:余定仙,男，江西奉新人，主要从事水工建

2、筑物研究工作1工程概况工程位于云南省普洱市，是一座以农业灌溉为主兼顾农 村饮水的中型水库，该工程为解决西部饮水难的公益性工 程水库位于新抚江一级支流，坝址以上集雨面积为18.1 km2，多年平均年径流量为1 550万m3，兴利库容750万m3, 总库容1 096万n?,具有年调节性能。工程主要建筑物包括 大坝、溢洪道、输水隧洞等，大坝采用砾石土心墙堆石坝，坝 线长225 m,最大坝高72. 1 me坝址地基岩性为侏罗系上统 景星组下段仃），浅灰色长石石英砂岩（Jaj*-* ）、夹紫红色 泥质粉砂岩仃3j_2）和同生钙质角砾岩，岩体强度较低。2大坝结构设计大坝最大坝高72. 10 m,坝顶高程1

3、 553.60 m,防浪墙顶 髙程1 554. 60 m,坝顶宽度考虑交通要求定为7.0 m,采用沥 青混凝土路面，坝顶长度225 m=坝体上游坝坡自上而下分 别为1：2、1：2.25、1：2.5,坝上游设有3级马道，宽2 m,马道 高程分别为1 533.60、1 513. 60J 493. 60 m；下游坝坡自上而 下分别为1： 18、1：2、1：225,排水棱体顶高程1 484. 0 m,顶 宽2叫边坡1：1.8。坝体分区由上游至下游依次为上游堆 石区、反滤层、砾石土心墙、反滤层、过渡层、下游堆石区及排 水棱体组成。堆石区填筑采用石料场开采的新鲜弱风化长 石石英砂岩块石进行填筑，堆石孔隙率

4、不大于22% ；石渣填 筑区可采用溢洪道及料场开采的强、弱风化的石渣料作为填 筑材料，孔隙率不大于24%,底部设排水层，厚3 m0砾石土 心墙防渗体断面顶部水平宽度3.0 m,顶高程至坝顶路面以 下。在心墙防渗体上、下游侧均设反滤保护层，边坡均为 1：0. 25。心墙座落在强、弱风化基岩上，坝基防渗采用单排 帷幕灌浆进行处理，孔距2 m,帷幕底高程深入相对不透水层 线（5 Lu）以下5 m0大坝结构见图lo3大坝应力应变分析31本构模型目前,土石坝应力应变分析中邓肯-张非线性弹性模型图1大坝应力变形数值分析几何模型应用广泛，参数测定有较成熟的经验，测试简单，模型计算 参数CW、阿、K、K b、

5、K“、G、F、D、n、Rf可由大三轴试验 确定。3.2有限元几何模型计算基于GeoStudio的土石坝平面有限元应力应变分析 方法计算模型为二维有限元模型，计算断面取河谷最大断 面,计算坐标系规定为:X轴为顺河向，由上游指向下游，取 坝轴线为x轴零点；丫轴为垂直向，指向上方,与高程一致。 在进行结构分析时，以基岩面作为刚性边界,上游边界截至 坝轴线上游约187 m,下游边界截至坝轴线下游约205该 计算模型沿顺河流方向（X方向）长约392 m,厚度方向（K方 向）约117 m0模型模拟了坝体的几何形状及其各材料分 区几何模型见图1,采用控制断面单元自动剖分技术，生成 的有限元结点总数为7 36

6、5个，单元总数为7 241个。33平面有限元计算参数的确定坝体根据不同的土体将断面划分为5个区域，填筑材料 由3种材料组成,各区域土特性指标通过室内大三轴试验获 得,坝壳土体E-v模型基本参数统计见表1 o哀1 坝売土体E - v模型基本參数统计分区猪CJnGFD0(/岬/MPakPa的）KC)()碌五土曲CD45.6137000.40.700.30.01313鮭区CD17440.110000.50.740.350.01354.511.761.8CD0359000.480.700.M0.0115403.4蓄水工况模拟水库蓄水后土石坝的应力变形存在两种计算方法:总应 力算法与有效应力算法，由于总

7、应力算法简便、直观，近年 较多心墙土石坝应力变形计算采用总应力算法，宏观上符 合总应力加边界面力的组合,水库蓄水后将作用于心墙，边 界水压力作为边界面力加于心墙防渗体的边界面上n 3.5计算成果及分析3.5.1计算成果计算分析整理了坝体最大横剖面的计算结果。竣工期 坝体的位移、应力分布分别见图2-4。坝体位移和应力的最 大值、最小值等主要成果汇总见表2。图中，顺河向水平位移 以指向下游为正，垂直位移以向上为正,单位是mm。应力以 压应力为正，以拉应力为负,单位是kPa。竣工期是指坝体填 筑全部完成，但尚未蓄水;蓄水期是指坝体填筑全部完成,且 上游水位达到正常蓄水位1 550. 32 me衰2竣

8、工期大坝应力分析成果汇总顶目竣工期蓄水期堆石体位移/感河向水平位移向上游-93-21向下游151241mm垂直位移向下1 1601 191堆石体应力/第一主应力压应力1 5161 657第二力压应力562620kPa第二主应力压应力510578图4竣工期竖向应力云3.5.2成果分析a）位移。本次成果通过仿真模拟大坝填筑过程，坝体 分期填筑加载，每期填筑高度约10 坝体最大位移发生在 砾石土心墙中部。竣工期，坝体的最大垂宜位移为1 160 mm,约占最大坝高的1.61% ;顺河向指向上游的最大水平位 移为-93 mm,指向下游的最大水平位移为151 nun,分别位 于上下游坝壳的中下部。蓄水期，

9、坝体的最大垂宜位移为 1 191 nun,约占最大坝高的1.65%;顺河向指向上游的最大 水平位移为-21 nun,指向下游的最大水平位移为241 mm0 坝壳各节点位移明显变化，受上游蓄水影响,指向下游的水 平位移明显增大。从坝体最大横剖面的位移分布（图2）来 看，竣工期，由于坝体填筑料不同，其相应的力学参数差别较 显著,心墙模量较小，致使坝壳的水平位移向心墙靠拢，心墙 呈现被水平压缩的趋势，蓄水期，在水压力的作用下，坝体 整体向下游位移,顺河向水平位移明显增大。b）坝体应力。从心墙上游侧堆石体有限单元第一主应 力和垂直正应力的分布来看，两者分布规律一致,大小基本 相同，说明应力主要由坝体自

10、重产生。蓄水前，由于心墙和 坝壳土料变形性质不同，坝体内形成了拱效应，心墙部位显 著卸载，过渡层应力集中，坝体的最大第一主应力为1 516 kPa,最大第二主应力为562 kPa,最大第三主应力为510 kPa；蓄水期，坝体的最大第一主应力为1 657 kPa,最大第二 主应力为620 kPa,最大第三主应力为578 kPa0坝体最大应 力均发生在坝体底部附近，越靠近心墙，第一主应力越大。 坝体应力基本上按照坝高分布,且沿心墙在上下游基本成对 称分布。两种计算工况下均未出现小主应力为拉应力的情 况，故坝体安全可靠，c）分期填筑及一次填筑。通过采用分期加载及一次加 载两种计算模型，对两种加载模式

11、进行数值比对，图5为坝 体心墙轴线处竖向位移与坝高关系曲线n由图可知,采用一 次加载的情况下,竖向位移随高程增加而增加，坝顶面竖向 位移达到最大;大坝分期填筑时，竖向位移与坝高关系曲线 呈形，最大位移不在坝顶而分别在坝高34 m处，最大竖向 位移为1 191 mm,其分布基本符合分层填筑的土石坝沉降变 形规律。分期加栽-一次加載图5竖向位移沿坝高分布d）水力劈裂:发生水力劈裂的判断条件通常用心墙应 力心与水压力匕进行比较，心.W化即可能发生水力劈 裂，同时还应考虑如下因素：一是心墙是否出现拉应力，即 有无张拉缝存在；二是水库蓄水速度和坝体内浸润线位置。 据图6心墙部位承受水压力及内部应力沿坝高

12、分布显示，心 墙内部未出现匕区域,若按上述判别（下转第56页）55人民珠江 2014年第1期 PEARL RIVERdoi：10. 3969/j. issn. 1001-9235. 2014. 01. 016多头小直径防渗墙在水库加固中的应用及渗流有限元计算许英，李惠娟2,罗秀娜（1.辽苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州510610；3.扬州市工程勘测设计研究皖，江苏扬州225007）摘 要：基于深层搅拌桩技术的多头小直径防渗墙具有诸多优点，在平原水库防渗加固工程中的应用越来越广泛 利用ANSYS中的热分析模块，模拟了某水库大坝采用多

13、头小直径防渎墙加固前、后的坝体渗流流场分布，确定了 渗流浸润线及下游坝坡渗流逸出点的位置，计算出坝体的单宽渎流量。经有限元计算值与实测资料进行对比分 析，结果表明，该防济墙对于大坝防渗效果显著，有限元渗流计算的水位值与实际观测值吻合校好，计算结果可靠。 关键词：多头小直径桩；防渗墻；渗流；有限元中图分类号:TU43文献标识码:A文章编号：1001-9235 （2014 ）01-0056-04收稿日期：2013-09-25作者简介:许英，女，江苏东海人,主要从事水利工程、港口航道工程方面的硏究工作056人民珠江 2014年第1期 PEARL RIVERdoi：10. 3969/j. issn.

14、1001-9235. 2014. 01. 016#人民珠江 2014年第1期 PEARL RIVERdoi：10. 3969/j. issn. 1001-9235. 2014. 01. 016（上接第55页）条件,该心墙没有发生水力劈裂的危险，但 上述分析并不全面，同时还应注意原生缝的影响，导致原生 缝存在的内因条件是心墙中的差异变形、材料的结构性，压 实不均匀等因素。首先，若心墙中（尤其心墙坡面）出现 拉应力时，则土体内将出现张拉缝，当压力水进入张拉缝中 时就会引起连续劈开，在工程上遇到是非常危险的。本工程 未出现拉应力，即无张拉缝，且水库蓄水速度较慢，心墙内水 压差较小,即使在心墙原生缝内

15、存在静水压力，也能与其周 围土体的渗透水压近似平衡；另外，根据非饱和土力学理 论，浸润线以上部位的心墙为非饱和区域,存在一定的基 质吸力（即负孔隙水压力），这样原生缝也就不易发展，从 而避免因心墙原生缝存在而发生水力劈裂可能性.图6心墙部位承受水压力及内部应力沿坝高分布4结语a）坝体变位及应力分布符合一般砾石土心壇堆石坝分 布特点,心墙防渗体的拱效应明显,心墙部位显著卸载,最大 主应力分布在心墙下游侧接近坝基部分。b）竖向应力产生多大增量，侧压力也产生相应比例的 增量。那么,在重力作用下6就相当大，均大于蓄水后墙前 水压力,即抗水力劈裂的能力较强3C）竣工期坝体各部位的应力水平均较高，坝体内部

16、没 有出现明显的剪切破坏区，表明坝体在目前荷载情况下是稳 定的。由于心墙材料模量较小，因此，心墙材料周围的坝体 出现应力拱效应，为防止材料剪切破坏，该应力变化集聚区 域应采用过渡材料较为有利nd）由于心境在填筑期土体的非饱和性质，有必要将有 效应力算法应用于大坝心墙非饱和渗流与变形分析,并采用 耦合分析0e）建议坝体填筑时，保持河谷部位填筑高程略高于岸 坡附近，可减轻或避免河谷岸坡原因所导致的沿坝轴线方向 的应力拱效应，改善坝体内应力变形条件，尽可能避免坝肩 剪破区的岀现;同时避免原生缝贯通，控制水库蓄水速度和 浸润线位置，参考文献：1 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算M.第二版.北京:水利电 力出版社,1996.2 Luis E, Vallejo. Shear stress and the hydraulic fracturing of earth dam soils J. Soils and Foundations, 1993 t33（3 ） : 14 -27.3 勢雷德隆德，拉哈尔佐.非饱和土土力学町北京：中国建筑 工业出版社,1997.4 刘万忠，周志芳.基于GEO SLOPE的土石坝应力场一渗流场 耦合分析J.勘察科学技术,2005（2）:15 -18.（责任编辑：李泽华）57