心墻土石壩水力劈裂三維有限元分析

心墻土石壩水力劈裂三維有限元分析

從20世紀(jì)末開始，中國進(jìn)入了水利水電建設(shè)的黃金時(shí)期。在高壩和深溝槽等惡劣地質(zhì)條件下，大量多層開挖房屋相繼竣工。與復(fù)雜多樣的土木工程建設(shè)背景相比，對(duì)巖體和混凝土的水壓裂進(jìn)行了研究還處于初步階段。由于缺乏理論支持，我們迫切需要深入研究水壓裂的計(jì)算方法。目前適合于水力劈裂分析的數(shù)值計(jì)算方法較多,如有限元法、邊界元法和無單元法等,其中有限元法是最成熟、應(yīng)用最廣的數(shù)值方法.本文通過對(duì)塔卡河上某水電站進(jìn)行三維有限元分析,對(duì)比發(fā)生水利劈裂的臨界關(guān)系條件,并說明了發(fā)生水利劈裂的臨界關(guān)系條件的正確性,從而為實(shí)際設(shè)計(jì)提供參考.1壩—工程概況與研究方法該水電站位于四川省甘孜州九龍縣境內(nèi)的踏卡河上,電站裝機(jī)容量130MW.攔河大壩為粘土心墻堆石壩.水庫正常蓄水位3165.00m,相應(yīng)庫容8485萬m3,最大壩高108.2m;地震設(shè)防烈度為Ⅶ度.壩區(qū)兩岸山體雄厚,臨江坡高大于300m.出露基巖為中厚~厚層變質(zhì)砂巖夾板巖.壩基河床覆蓋層深厚,一般為45~80m,表層有厚度3.20~37.50m粉土質(zhì)砂層,下部主要為塊(漂)碎(卵)礫石,厚度23.10~64.30m.覆蓋層透水性總體較強(qiáng).壩址上下游均有變質(zhì)砂巖夾板巖筑壩塊石料場(chǎng),巖質(zhì)較堅(jiān)硬;初步設(shè)計(jì)階段以粘土心墻壩進(jìn)行壩線的比選.壩址處最低溫度為-15℃,最高31℃,年平均溫度8.8℃.土的有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去水壓力,當(dāng)總應(yīng)力小于水壓力時(shí),土中的有效應(yīng)力小于零,即認(rèn)為土顆粒之間無接觸.本文計(jì)算也是基于有效應(yīng)力原理,通過對(duì)該工程做三維有限元計(jì)算,分別求出心墻上游面的水壓力和相應(yīng)高程處心墻中上游面的總應(yīng)力,當(dāng)水壓力大于總應(yīng)力時(shí),即認(rèn)為出現(xiàn)裂隙,進(jìn)而在水壓力作用下發(fā)生水利劈裂.心墻中總應(yīng)力分析采用空間四面體單元與空間六面體等參數(shù)單元.根據(jù)以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn),對(duì)于基巖、混凝土防滲墻等材料宜采用彈性本構(gòu)模型;粘土心墻,堆石體、過渡層、覆蓋層等材料宜采用鄧肯張E-B模型孔隙水壓力按穩(wěn)定滲流計(jì)算.這是由于壩殼料的低滲透性,在大壩蓄水到正常蓄水位時(shí),上游壩殼料已經(jīng)處于飽和狀態(tài)然后分別從計(jì)算結(jié)果中整理出心墻上游面的水壓力和相應(yīng)高程處心墻中上游面的總應(yīng)力隨高度的變化曲線,根據(jù)水壓力線與總應(yīng)力線的關(guān)系判斷心墻是否發(fā)生水力劈裂.2計(jì)算條件和主要計(jì)算2.1計(jì)算材料及計(jì)算模型計(jì)算區(qū)域的選擇:壩體頂寬15m,長度為580m.從壩底到壩頂壩體計(jì)算高度為104m.從大壩迎水面壩腳向上游延伸400m,從大壩背水面坡腳向下游延伸380m.大壩采用粘土心墻、混凝土防滲墻與帷幕相結(jié)合的防滲形式.三維應(yīng)力分析計(jì)算中共涉及到10種材料,在模型中分別用不同的顏色表示,它們分別為過渡層,墊層,主堆石,次堆石,砂卵石層,粉細(xì)砂層,粘土心墻,混凝土防滲墻,變質(zhì)砂巖,基巖,山體.水電站大壩應(yīng)力計(jì)算中,采用笛卡兒直角坐標(biāo)系.以垂直于壩軸線的水平方向?yàn)閤坐標(biāo)軸,以過上游迎水面坡腳的鉛垂線為y軸,以平行于壩軸線的方向?yàn)閦軸,計(jì)算坐標(biāo)原點(diǎn)選取在防滲墻軸線、河道中線、壩體底面的交匯處.坐標(biāo)系的選取如圖1所示.壩體最大剖面和壩料分區(qū)見圖2.本次計(jì)算中,共涉及到10種材料,其中過渡層,墊層,主堆石,次堆石,砂卵石層,粉細(xì)砂層和粘土心墻均采用非線性彈性鄧肯張E-B模型,材料參數(shù)的數(shù)據(jù)如下表1,基巖、山體和混凝土防滲墻均采用線彈性模型,材料參數(shù)如下表2.2.2選取的剖面位置對(duì)三維模型進(jìn)行水力劈裂分析時(shí),不可能對(duì)每個(gè)順河向的剖面都一一判別,只能從中取出個(gè)別具有代表性的剖面進(jìn)行判別.本文在計(jì)算中取三個(gè)剖面,分別是標(biāo)準(zhǔn)剖面,壩體左岸剖面和壩體右岸剖面,這些剖面的位置如圖3.2.2.1儲(chǔ)層內(nèi)每個(gè)剖面的垂直總應(yīng)力等值線圖4~圖6為圖3中三個(gè)剖面在蓄水期y方向總應(yīng)力等值線圖,從圖中可以看,三個(gè)剖面都存在一定程度的“拱效應(yīng)”.2.2.2壩殼內(nèi)上游水壓力圖4~圖5已經(jīng)給出了豎向總應(yīng)力等值線圖,還需要知道壩殼中靠近心墻上游面的水壓力才能判斷水力劈裂是否發(fā)生.如圖7~圖9所示,給出了三個(gè)剖面的壓力水頭等值線圖.3計(jì)算結(jié)果表明的分析3.1壩殼蓄蓄期的影響由圖4~圖6的豎向總應(yīng)力圖和圖7~圖9的壓力水頭等值線圖,對(duì)于圖3中的三個(gè)剖面,可以分別求壩殼中靠近心墻上游面的水壓力和相應(yīng)高程處心墻中上游面的豎向總應(yīng)力,從而繪出在蓄水期兩者的關(guān)系圖,如圖10所示.由圖10可以看出,在三個(gè)剖面中,壩殼中靠近心墻上游面的水壓力都是大于相應(yīng)高程處心墻中上游面的豎向總應(yīng)力,也就意味著不會(huì)發(fā)生水力劈裂.3.2心墻泊松比mc結(jié)果研究表明,水利劈裂的臨界條件為:其中uf06dc為心墻泊松比,Re,cr為壩殼與心墻的臨界彈模比.將踏卡河某水電站中的心墻泊松比mc帶入式(1),可計(jì)算出發(fā)生水利劈裂的臨界彈模比Re,cr,然后再求出水電站壩殼與心墻實(shí)際的彈模比Re,如果Re<Re,cr,則不可能發(fā)生水利劈裂.因?yàn)轫?xiàng)目提供的材料參數(shù)采用的是鄧肯-張E-B模型,所以如利用式(1)判斷,需要將材料參數(shù)轉(zhuǎn)化為鄧肯-張E-μ模型.3.2.1壩殼模量和墻的關(guān)系在鄧肯-張E-B模型中切線模量表達(dá)式為式中pa為大氣壓,Kb,n為試驗(yàn)參數(shù),c,?為土的強(qiáng)度指標(biāo),σ1,σ3分別為大小主應(yīng)力將表1中心墻的計(jì)算參數(shù)代入式(2),可以得到心墻模量為再將表1中主堆石的材料參數(shù)帶入式(2),可以得到壩殼模量為Et2=3.41(203.6-0.29σ1)2,可求出墻與壩殼主堆石彈模比為由式(4),可知在σ1取0.8MPa~2.4MPa時(shí),Re均不大于4.3.2.2心墻泊松比c鄧肯-張E-B模型中體變模量將表1中心墻的計(jì)算參數(shù)代入式(5),當(dāng)σ3=100KPa可確定心墻B值為142739,再由式中Et為割線模量,其值已由式(3)求出,將B值=142739,并結(jié)合式(6),可確定當(dāng)σ1=0時(shí),心墻泊松比μc為0.32.3.2.3心墻與壩殼臨界彈模比對(duì)將μc的0.32代入發(fā)生水利劈裂的臨界條件Re,cr(28)1333.3μc3-1200μc2+376.67μc-37,可知心墻與壩殼臨界彈模比Re,cr等于4.3.由式(4),可知在σ1取0.8MPa~2.4MPa時(shí),eR均不大于4,即eR(27)Re,cr.也就意味著不會(huì)發(fā)生水力劈裂,這與上面用總應(yīng)力法的計(jì)算結(jié)果一致.4作用在大壩各材料參數(shù)計(jì)算參數(shù)的驗(yàn)證(1)本文通過踏卡河某水電站粘土心