沥青混凝土心墙坝参数敏感性分析

沥青混凝土心墙坝参数敏感性分析

发表时间：2020-03-07T11:53:40.367Z 来源：《防护工程》2019年20期作者：张涛

[导读] 本文以西藏昌都市芒康县扎仓嘎水库为依托工程，利用有限元分析软件SDAS，对扎仓嘎水库沥青混凝土心墙坝进行有限元分析。重庆交通大学河海学院重庆 400074

摘要：为进一步研究沥青混凝土心墙坝的力学特性，本文以西藏昌都市芒康县扎仓嘎水库为依托工程，利用有限元分析软件SDAS，对扎仓嘎水库沥青混凝土心墙坝进行有限元分析。研究沥青混凝土模型参数的影响因素与各个参数之间的联系紧密程度，得到了影响因素的主次排序以及反应材料特性的参数的优劣排序。结果表明杨式模量、杨式模量指数、体积模量这三个参数对心墙最大主应力和心墙最大垂直位移的影响程度按从大到小的顺序排列均为：杨式模量，杨式模量指数，体积模量。

关键词：沥青混凝土坝数值模拟敏感性

1 引言

扎仓嘎水库位于西藏昌都市芒康县境内，开发河段位于金沙江一级支流嘎托河上游段。水库总库容1905.87万m3，正常蓄水位为3925.00m，坝顶高程为3929.20m，坝顶长度为317.73m，最大坝高为46.5m。大坝为碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝，永久主体工程按50年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水校核，消能防冲按30年一遇洪水设计。坝顶高程3 929.20m，防浪墙顶高程3 930.40m，坝顶宽8.00m，最大坝高46.50m，坝顶长317.73m。该水库所采用的沥青混凝土心墙坝是世界上广泛应用的坝型，具有良好性能。[1，2]

2 三维有限元分析

大量的研究表明心墙沥青混凝土和砂砾石坝料的变形，不仅随剪应力水平而变化，目前国内外均通过坝料三轴试验的剪应力与轴应变的关系来反映材料的非线性，比较多的选用邓肯-张模型。[3]为模拟两种不同材料间的相互作用，在有限元分析中采用接触模型来解决界面上变形不协调问题，常用接触模型有薄层单元Mohr-Coulomb模型和常用的Goodman无厚度非线性接触摩擦模型等。本工程选用了Goodman 无厚度单元来描述过渡料与沥青混凝土心墙间的接触关系。

总结计算模型如下：1）坝体材料：砂砾石坝壳、垫层料、过渡料、排水层采用邓肯-张E-B模型；2）混凝土基座、基岩、弱风化层采用线弹性模型；3）沥青混凝土采用邓肯-张E-μ模型；4）接触面采用无厚度Goodman模型。

2.1 敏感性分析方法及方案

在沥青混凝土心墙坝的应力应变研究中，沥青混凝土心墙的最大垂直位移Smax和最大主应力σ1max是工程中最为关心的两个指标，因此本项目选取这两个计算结果作为待分析的特性指标。

已有研究表明，邓肯-张E-B模型中的杨式模量K、杨式模量指数n以及体积模量Kb属于高敏感性参数，而体积模量指数m为低敏感性参数，对心墙最大垂直位移Smax和最大主应力σ1max的影响较小。相较而言，在沥青混凝土邓肯-张E-B模型试验参数求解过程中，K、n，Kb 的确定更为重要。

基于此，本次参数敏感性分析的具体方案为：沥青混凝土邓肯-张E-B模型的待分析参数为K、n、Kb，选择这3个参数的变化范围

为-50%、-20%、20%、50%，共计12种工况，其中方案一：n=0.34，Kb=2 100；方案二：K=600，Kb=2 100；方案三：K=600，n=0.34。

2.2 参数敏感性分析

图1及图2分别为沥青混凝土心墙最大沉降与最大应力变化幅度与模型参数杨式模量K、杨式模量指数n以及体积模量Kb变化幅度的关系曲线。

图2 K、n、Kb值变化幅度-最大应力变化幅度关系曲线

3 结果及讨论

根据结果可以看出，当K、n、Kb这3个参数参数在-50%到50%区间变化时，Smax的变化不是很显著，杨式模量K减小50%时，Smax的最大变化率仅为2.32%，其规律为基本呈线性递减，变化趋势接近直线，而这3个参数中，总结对心墙最大垂直位移Smax的影响按从大到小的顺序排列为：K＞n＞Kb。

当杨式模量K、杨式模量指数n、体积模量Kb这3个参数在-50%到50%区间变化时，最大主应力σ1max的变化规律为基本呈线性递增，变化趋势接近直线。结果表明，参数K和Kb在减小的情况下，对σ1max的影响较大，当参数K减小率达50%时，σ1max的减小率最大为25.6%，当参数Kb减小率达50%时，σ1max的减小率最大为7.35%。综合来看，K、n、Kb这3个参数对心墙应力的影响与对沉降的影响一致，K对σ1max的影响最大，n次之，Kb的影响较小，因此参数对心墙最大主应力σ1max的影响按从大到小的顺序同样排列为：K＞n＞Kb。

由以上分析可以看出，杨式模量K、杨式模量指数n、体积模量Kb这3个主要参数对心墙的Smax和σ1max的影响均不相同。相对而言，参数变化对心墙Smax的影响远小于对σ1max的影响，且杨式模量K、杨式模量指数n对于Smax和σ1max来说都属于高敏感性参数，因此，相较而言，在利用沥青混凝土邓肯-张E-B模型试验参数进行数值模拟过程中，K、n值的确定更为重要，在沥青混凝土心墙模型参数反分析时，参数K、n是首选。

4 结论

本文开展了沥青混凝土心墙坝模型参数敏感性分析的研究，通过改变待分析参数的数值，得到了杨氏模量、杨氏模量指数以及体积模量对心墙最大主应力σ1max和心墙最大垂直位移Smax的影响按从大到小的顺序排列均为：K＞n＞Kb。

参考文献

[1]沈崇刚. 中国大坝建设现状及发展. 中国电力, 1999(12): 14—21

[2]戴巍. 碾压式沥青混凝土心墙坝施工质量控制. 甘肃水利水电技术, 2016; 52(01):57—59

[3]韩艳. 沥青混凝土力学模型参数研究及沥青心墙堆石坝三维数值分析. 西安理工大学, 2010