糯扎渡水电站心墙堆石坝平面有限元应力应变计算分析_赵亚明

糯扎渡水电站心墙堆石坝平面有限元应力应变计算分析赵亚明(国家电力公司昆明勘测设计研究院,云南昆明　650051)摘　要:糯扎渡水电站初拟装机容量560万kW ,心墙堆石坝最大坝高258m ,在可行性研究的选坝阶段,对推荐坝型的各材料分区方案分别进行了平面有限元应力应变分析,得出了合理性结论。

并对下一步坝体优化设计提出了建议。

关键词:糯扎渡水电站;心墙堆石坝;双屈服面模型;平面有限元应力应变分析中图分类号:TV641.4+1;TU311.4 文献标识码:B 文章编号:1006-3951(2002)03-0031-051　工程概况糯扎渡水电站位于云南省思茅市和澜沧县交界处,是澜沧江中下游河段梯级规划“二库八级”电站的第五个梯级。

电站控制流域面积14.17万km 2,形成的水库库容约225亿m 3,初拟装机容量560万kW 。

在可行性研究的选坝阶段,拟定了多种坝体型式,其中心墙堆石坝是推荐坝型,其最大坝高258m ,在正常运用条件下需承担约250m 高的水头,为永久性1级建筑物。

2　计算模型糯扎渡心墙堆石坝平面有限元应力应变分析采用清华大学水利水电工程系编制的计算程序。

程序编制采用比奥固结理论进行有效应力的应力变形分析,其中土骨架采用沈珠江院士提出的双屈服面模型〔1〕,孔隙流体流动服从Darcy 定律,采用简化模式计算其压缩性。

沈珠江提出的双屈服面模型的弹塑性应力应变矩阵的形式为:d σxd σy d σz d τxy =Depd εxd εy d τxyD ep=M 1-P S x +S x q -Q S x S x q 2　M 2-P S x +S y q -Q S x S y q 2　-P S xy q -Q S x S xyq 2M 2-PS y +S x q -Q S y S x q 2　M 1-P S x +S y q -Q S y S y q 2　-P S xy q -Q S y S xyq 2M 2-PS z +S x q -Q S z S x q 2　M 2-P S z +S y q -Q S z S y q 2　-P S xy q -Q S z S xyq2-P S xy q -Q S xy S x q 2 -P S xy q -Q S xy S y q 2 G -Q S 2xyq 2 其中:S x =σx -p S y =σy -p S z =σz -p P =B e G e γ1+B e α+G e β　Q =G 2e δ1+B e α+G e βM 1=B p +4G e /3　M 2=B p -2G e /3B p =B e 1+B e α1+B e G e γ21+B e α+G e δα=A 1/r 2+η2A 2　β=γ2η2A 1+A 2γ=η(A 1-A 2)　δ=β+B e (αβ-γ2)上述式中,31 第18卷第3期 云南水力发电YU NNAN WATER POWER CN53-1118/TKISSN1006-3951收稿日期:2002-05-20　作者简介:赵亚明(1972-),男,吉林长春人,助理工程师,主要从事水工建筑物设计工作。

p =(σ1+σ2+σ3)/3q =〔(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2〕/2η=q /pG e 和B e 分别为弹性剪切模量和体积模量,可按下式计算B e =E ur 3(1-2μur ),G e =E ur 2(1+μur )μur 为弹性泊松比可取1/3。

A 1和A 2为两个塑性系数,按下式计算A 1=r2η9E t -3μt E t -3G e +S 3μt E t -1B e(1+ηr 2)(S +η2r 2)A 2=9E t -3μt E t -3G e +r 2η3μt E t -1B e(S (S 22)式中E t =KP aσ3P an(1-R f S l )2S l =(σ1-σ3)(1-sin ′)2c ′cos ′+2σ3sin ′μt =2c d σ3P andE i R f S l σ1-σ31-R d R d 1-R f S l 1-R f S l 1-R d R dE ur =K ur P aσ3P an该模型共有9个计算参数c ′, ′,K ,K ur ,n ,R f和C d ,n d ,R d ,它们可由一组不同围压下的三轴试验成果得出。

该模型采用如下双屈服面来定义加卸载准则f 1=p 2+r 2q 2f 2=q s /p (2)即若f 1>(f 1)max ,则A 1≠0,否则A 1=0(3)若f 2>(f 2)max ,则A 2≠0,否则A 2=0(4)式(3)和式(4)同时成立则表示全加荷,同时不成立则表示卸荷,其中之一成立表示部分加荷。

式(2)中的屈服面参数r 可令其等于2,S 对于粘土取3,堆石料取2。

由于堆石料的渗透系数很大,不考虑坝壳的固结过程,只计算心墙的固结。

土质防渗墙压实后的饱和度一般在90%左右,这时孔隙气将以气泡的形式封闭在孔隙中,并且和孔隙水一起运动。

因此计算中把这样的含气水当作单一的可压缩流体来看待,认为其流动服从Darcy 定律,并取渗透系数为常量。

由于心墙的饱和度较高,采用如下简化式计算含气水的压缩系数〔2〕β=n 1-S rP w+Pa (5)n 为孔隙率,S r 为饱和度,按下述Hilf 公式计算〔2〕S r =(S r )oP w +P aP a +(1-C h )(S r )o P w(6)其中(S r )o 为填筑时的初始饱和度,C h 为亨利溶解系数,20℃时为0.02。

上述式中P a 为大气压,P w 为孔隙压力。

3　计算过程及其成果分析3.1　计算剖面及材料参数拟定3.1.1　计算剖面的拟定根据坝体防渗、反滤、排水、坝坡稳定、坝体应力应变的要求,结合当地材料坝的特点,在可行性研究阶段拟定两种坝体材料分区剖面,见图1、图2。

为保证土质心墙防渗体的沉降在允许范围内,心墙防渗料采用掺砾粘土料,同时在心墙上、下游各设两层反滤层,以保护心墙不发生渗透变形,并在心墙出现裂缝时保证土颗粒不被带走,使裂缝自行愈合。

坝壳采用碾压粗堆石料,其中的软岩料区拟采用抗压强度较低的开挖岩石,从充分利用建筑物开挖料的角度出发,故拟定此两种分区比较方案。

为协调心墙与坝壳间的应力应变,在上、下游坝壳料与反滤料间设水平宽20m 的细堆石过渡料区。

3.1.2　材料参数双屈服面模型的9个计算参数C ′, ′,K ,K ur ,n ,R f 和C d ,n d ,R d ,由三轴试验成果整理后得出。

本次计算所用材料参数为可行性研究选坝阶段试验成果的中值方案。

材料参数见表1和表2。

3.2　计算分级及网格划分应力应变计算按坝体填筑的要求进行施工分级(见图3),较真实地对实际情况进行模拟:先施工围堰,在坝体填筑竣工之前蓄水至围堰挡水高程640m ,坝体填筑竣工后均匀蓄水至正常蓄水位812.00m 高程。

网格划分见图4。

3.3　计算成果分析各方案最终结果汇总于表3,水头等值线图见图5,坝应力位移各方案等值线图见图6～图9,各方案所得坝体应力位移数值及分布范围虽然略有差别,但其规律基本一致。

32云南水力发电 2002年第3期图1　心墙堆石坝方案1最大模截面图图2　心墙堆石坝方案2最大模截面图图3　施工分级示意图图4　计算网络图表1　沈珠江模型材料计算参数表材料名称C ′(KPa ) ′(°)■ ′(°)K K ur n R f C d d R d 心墙料402503034550.450.770.00830.660.77粗堆石料054.410.8167325100.260.790.00111.170.71细堆石料052.79.7139720960.260.760.0011.330.68反滤料10518.5112016800.260.720.00081.490.65反滤料20518.5112016800.260.720.00081.490.65软岩料52.48.789313400.350.660.00111.220.57表2　材料物性指标表材料名称渗透系数(m /s )孔隙率饱和度填筑湿容重(10kN /m 3)饱和容重(10kN /m 3)粗堆石料 0.240.1242.0132.224细堆石料 0.250.3092.0062.208软岩料 0.230.2322.1862.332反滤料0.2570.2261.9972.196心墙料2.63E -80.2920.8222.1602.212表3　计算成果汇总表计算剖面工　况坝体位移最大值(m )水平位移竖直沉降堆石体应力最大值(MPa )大主应力小主应力心墙应力最大值(MPa )大主应力小主应力心墙坡坏单元数方案1竣工期运行期0.490.993.863.566.05.12.211.803.02.81.51.4010方案2竣工期运行期0.571.053.953.726.05.12.301.813.03.01.51.508 由水头等值线图可以看出,竣工期心墙区内的部分孔隙水并未完全消散,最大孔隙水压力为0.6MPa 左右,排除上游侧静水压力影响,心墙本身所余孔隙水压力已经相当小;而运行期(稳定渗流期)心墙区基本没有超静孔压,固结已经完成,孔隙水压力基本上是按静水压力分布,其最大值为2.4MPa 左右。

从坝体应力等值线图中可以看出,各方案心墙区的拱效应均比较明显。

由于心墙料比坝壳料软,心墙的变形大,堆石料的变形相对小,变形不协调,于是会引起应力的重新分配。

心墙部分的应力会转移一部分到两侧坝壳,致使心墙的应力低于自重应力,心墙两侧坝壳的应力高于自重应力。

运行期时由于浮力和水压力的作用,心墙上游侧坝壳的大主33 赵亚明　糯扎渡水电站心墙堆石坝平面有限元应力应变计算分析 应力低于下游侧的大主应力;同时由于心墙在水压力作用下向下游变形,上游侧坝壳和心墙上游侧的小主应力减小,下游坝壳和心墙下游侧的小主应力增加。

心墙区拱效应的大小主要决定于心墙材料的模量与其周围堆石料的模量比值,堆石料与心墙料模量比值越大则拱效应越明显,对心墙的安全越不利。

方案2上游侧软岩料的使用,降低了两种坝料的模量差值,即降低了心墙区拱效应,对心墙的安全是有利的。

虽然存在着明显的拱效应,但由计算结果看,心墙区大、小主应力均未出现拉应力,表明心墙区出现水平向裂缝及水力劈裂的可能性非常小。

图5　压强水头计算结果图图6　方案1竣工期计算结果图 图7　方案1正常运行期计算结果图 从坝体位移等值线图可以看出,坝体的变形符合一般规律。

竣工期上、下游变位基本对称,运行期由于水压力的作用坝体水平位移都是向下游的,其最大值发生在心墙或心墙上游侧坝壳上部,这是由于心墙材料软,心墙对上游坝壳的约束小所致的。