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基于abaqus的混凝土面板堆石坝稳定性分析 1 混凝土面板堆石坝的设计实践 由于混凝土板堆填石坝施工时间短，地形地质条件适应性强，库材料来源广泛，抗疲劳防滑性能好，近年来成为一支才华横溢的水库，迅速成为一座高山。中国200.250米高的混凝土板岩水库已处于设计研究和施工阶段。 常规混凝土面板堆石坝的典型设计断面呈梯形,坝体依河谷与岸坡地形填筑而就,上下游坝坡坡比多为1:1.4~1.5,坝基位于河床上。为利用地形条件并为了减少开挖量,某混凝土面板堆石坝设计方案为:利用山脊的天然坡面,清除地表强风化、破碎岩石和倒悬体,然后分别贴岩坡填筑堆石料,形成混凝土面板坝上、下游坡,竣工后坝体典型断面呈“∧”型(图1),成为国内比较罕见的贴坡型混凝土面板堆石坝。显然,此类堆石坝的应力变形规律与常规面板堆石坝有所不同。 采用非线性有限元法预测常规混凝土面板堆石坝变形应力的成果较多,但有关贴坡型混凝土面板堆石坝的分析研究成果鲜见公开报道。本文基于ABAQUS 2次开发平台,采用自主开发的Duncan-Chang本构模型,对国内某贴坡型混凝土面板堆石坝进行了坝体应力与变形分析,计算成果能为优化设计提供合理的建议和有效的措施。 2 模型计算参数 国内某贴坡型混凝土面板堆石坝坝坝轴线走向为105°,坝顶高程为482.5 m,从上游趾板建基面算起最大坝高50.5 m,下游建基面算起最大坝高92.1 m。坝顶宽度为10 m,上下游坝坡均为1:1.4。坝体自上游至下游依次分为垫层区(IIA区)、过渡区(IIIA区)、堆石区(IIIB区)。垫层区水平宽度为3 m,过渡区水平宽度为4 m。堆石区设计为均质体,无主次分区。堆石区下游坡面坝基设2.8 m厚接坡带,上游坡面坝基和两岸坡面设水平宽为2m的接坡带,接坡料采用过渡料。坝体分3期填筑,其典型断面及分期填筑方案如图1所示,面板浇筑不分期。 采用目前工程界应用较为广泛的邓肯双曲线E-B模型模拟堆石料的应力-应变关系,其材料参数见表1。 由于基岩材料的力学性能比堆石体好得多,计算中未考虑基岩对坝体应力变形的影响。面板混凝土采用线弹性模型,重度ρd=25.0 k N/m3,弹性模量E=20 GPa,泊桑比ν=0.167。考虑到混凝土面板与垫层料之间的材料特性相差很大,在ABAQUS中用面面接触来模拟二者之间的接触效应。混凝土面板垂直缝和周边缝的设置,会导致位移和变形的不连续,需采用位移和变形不连续的缝单元模拟其特性。计算中,对其受拉垂直缝和周边缝,变形模量采用接近0的小量消除张拉应力;对于受挤压垂直缝和周边缝,采用混凝土材料特性模拟挤压效应。面板和坝体均采用8节点实体单元模拟,少量6节点实体单元过渡,三维有限元模型的节点数为12559,单元数为10 645,计算规模较大,离散网格如图2~3所示。 计算工况考虑竣工期和正常蓄水期。竣工期计算荷载为堆石体自重,坝体上、下游无水,按临时断面上升考虑模拟施工过程,其中第1~13级模拟1期下游坝体填筑;第14~18级模拟2期上游坝体填筑;第19~23级模拟坝体上下游同步填筑至坝顶;第24级模拟面板施工过程蓄水期计算荷载为水压力,从25~32级模拟蓄水过程中下游坡面无水。 3 接触算法的数值计算 考虑到混凝土面板与垫层料之间的材料特性相差很大,在ABAQUS中用面面接触来模拟两者之间的接触效应。接触问题必须是增量过程求解。在每个增量步开始,首先考察接触面对的状态:如果是张开,需要解除约束关系,否则建立约束关系;然后开始增量步计算,完毕进行接触状态校核,如果没有发生改变,认为本增量计算收敛,否则修改接触状态后重新分析。接触算法的逻辑过程见图4。 从接触计算过程可以看出,即使材料特性是线性状态,接触分析收敛性也相当困难,如果材料状态也为非线性,求解过程包括接触非线性和材料非线性双重增量加载和平衡迭代。使得在ABAQUS中计算时收敛更加困难,甚至增量步稍大,就出现计算不收敛,本文采用上游坝坡的修整算法,即在铺设面板之前,上游坡面先进行修平使之达到设计坡度,使面板底部以及堆石料上游表面应力应变状态在开始铺设面板的时候为0,这样使得计算很快收敛,且又与实际施工过程相符。 值得注意的是:修坡过程可能导致坡面附近单元出现拉、剪破坏,故修坡过程中应同时进行“应力迁移”计算。上述上游坝坡修整算法保证了坝体的平衡状态和变形协调状态。 4 计算与成就分析 4.1 坝体工程施工期 竣工期和蓄水期两种工况下坝体的位移值比较小,最大垂直沉降都发生在坝址垭口附近,与常规混凝土面板堆石坝的变形基本相似,水荷载对坝体的沉降等值线分布影响很不大。坝体水平位移的分布规律完全不同于常规混凝土面板堆石坝,水平位移最大值发生在下游坡腰,上游坡的变形非常小,水荷载作用较明显地改变了坝体水平位移等值线分布,随着水位上升向上