坝下岩埂对混凝土面板应力应变性状的影响(2016.3.22骥改).docx

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坝下岩埂对混凝土面板应力应变性状的影响(2016.3.22骥改)

坝下岩埂对混凝土防渗面板应力应变性状的影响凤不群1,马品非2(1.新疆兵团勘测设计院有限责任公司,新疆乌鲁木齐 830052;2.塔城地区水利水电勘测设计院,新疆塔城 834700)摘要:混凝土面板堆石坝靠近岸坡坝段受地形影响,可能会坐落在岩埂上,这将影响到面板的应力应变性状,将导致面板的开裂而失去防渗功能。通过玛热勒苏混凝土面板堆石坝的有限元分析计算,重点研究在蓄水条件下,坝下岩埂不同的处理方案对面板应力应变性状的影响,获得了不同岩埂开挖形态条件下的应力应变计算结果。计算结果表明,受岩埂开挖形态的影响,各开挖处理方案中,混凝土面板内的压应力均能满足强度要求,若岩埂完全保留在坝体内部时,面板中的拉应力则超过混凝土的抗拉强度,导致面板被拉裂而失去防渗功能。岩埂清除范围将直接涉及到坝基开挖与坝体填筑工程量,影响到工程造价。研究成果为大坝优化设计提出了合理的建议及岩埂处理的有效措施。关键词:岩埂,混凝土面板堆石坝,应力应变1工程概况玛热勒苏水库位于额敏县境内的马拉苏河上,工程由大坝、放水隧洞、导流冲砂隧洞、溢洪洞四部分组成,总库容为3254×104m3。大坝最大坝高为79m,坝顶宽8.0m,坝顶全长250m,上游坝坡为1:1.6,下游坝坡为1:1.4,坝顶设防浪墙。该水库属Ⅲ等中型工程,坝高超过70m,大坝级别提高一级,为2级设计,永久性主要建筑物溢洪洞、导流冲砂隧洞、放水隧洞级别为3级,次要建筑物和临时建筑物级别均为4级。设计洪水标准为50年一遇,洪峰流量为271m3/s,经水库调蓄削峰后,溢洪洞最大下泄流量218.12m3/s;校核洪水标准为1000年一遇,洪峰流量为577m3/s,经水库调蓄削峰后,溢洪洞最大下泄流量465.42m3/s。该大坝0+150剖面位于岸坡处,坝体下部有一岩埂分布(见图1),使坝体填筑坝料厚度变化不均,这对位于其上的具有一定刚度的混凝土面板应力条件极为不利,有可能导致面板产生结构性断裂裂缝,失去防渗功能。本文通过二维有限元分析,重点研究在蓄水条件下,该剖面坝下岩埂不同的处理方案对面板应力应性状的影响。图1 0+150剖面2计算模型2.1 坝体和坝基材料的本构模型坝体及坝基砂砾石坝料应力应变关系的模型选择合理与否,直接关系到对坝体工作性状评估准确性。大量的研究表明砂砾石坝料的变形,不仅随剪应力水平而变化,也与加载应力路径密切相关,应力应变关系表现出典型的非线性特性,目前国内外均通过坝料的三轴试验的剪应力与轴应变的关系来反映材料的非线性性质,比较多的选用邓肯-张模型,也有一些工程采用南水模型。研究发现邓肯-张模型的变形计算结果的数值较南水模型偏大。本文采用邓肯-张的E~μ模型对混凝土面板堆石坝进行有限元分析。2.2混凝土面板、趾板的计算模型混凝土面板、趾板和基岩等刚性结构物的材料一律采用线弹模型进行应力应变分析。2.3 接触的计算分析模型在面板堆石坝的结构中,存在刚性的混凝土面板与散粒体堆石之间的相互作用的接触面,在坝体自重和水荷载作用下,面板与堆石体之间将产生摩擦接触,并通过这种接触实现剪应力的传递,这是面板与堆石体之间最重要的接触。在面板堆石坝的应力应变计算分析中,对坝体及坝基结构中存在各类不同材料的接触面 (包括面板与垫层、趾板与地基等)均需正确的模拟,由于接触面两侧材料性质相差悬殊,在外力作用下,通常都会表现出与连续体不同的剪切滑移、脱开分离等特殊的变形特征,因此,在计算分析中需要采用特殊的单元来加以模拟,以准确、真实的反映坝体各部位相互作用的特性。常用的代表性的接触面单元主要有Goodman无厚度接触面单元、Desai薄层单元及接触摩擦单元等。从实际工程的观测和室内的试验中均可发现,在两种材料性质相差悬殊的介质之间,一般都会在材料性质相对较弱的一面形成一个薄层的“剪切带”,因此,近年来的研究表明对这一“剪切带”采用薄层接触面单元来模拟,可能会更接近实际,国内多家研究单位提出了采用薄层单元的模型。在本次的计算分析中,对面板与垫层相互作用采用Goodman无厚度接触面单元来模拟。2.4 混凝土结构物接缝的计算分析模型混凝土面板堆石坝,面板之间、面板与趾板之间均存在各种类型不同的接缝,如板间缝、周边缝等。接缝的变形是由于其下部的堆石体和坝基材料的变形所引起的,接缝变形的量值直接关系到大坝防渗系统的可靠性。目前面板坝的接缝通过止水结构来实现防渗,包括设在接缝底部的金属止水和顶部的柔性填料止水等,有些工程还补以设在外部的无粘性自愈淤堵填料止水。一般意义上讲,这些止水材料对接缝的变形不起任何约束作用,它仅仅是随接缝变形而变形,当接缝受压时,接缝的止水不会失效;当接缝张开、沉降和剪切位移超过了止水材料的允许值时,止水将失效导致面板坝产生渗漏。因此,在创建接缝模型时可以完全不考虑止水材料对接缝变形的影响,接缝

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