寨子河沥青混凝土心墙堆石坝渗流及应力应变分析.pdf

水 力 发 电 第 4 O卷第2期 2 0 1 4 年 2 月 寨 子 河 沥 青 混 凝 土 心 墙 堆 眉 坝 渗 琉 及 应 力 应 变 分 析 叶发文 ， 一 ，高 阳 ，一 ，张建海 ，一 ，赵元 弘 。 ( 1 ．四川 I 大学水力学与 山区河流开发保 护 国家重点实验 室，四川 成都6 1 0 0 6 5 ；2 ．四川 大学 水利水 电学院 ，四川成都6 1 0 0 6 5 ；3 ．四川 省水利水 电勘 测设 计研 究院 ，四川成都 6 1 0 0 7 2 ) 摘要 ：对寨 子河 沥青混凝 土心墙堆 石坝进行 施工及运行期的渗流和坝体应力应变三维非线性有限元数值计算 。结 果表明 ：各工况的渗流规律基本 相同 ，且沥青混凝 土心墙和帷幕防渗效果 良好 ；各工况的最大沉降均出现在坝体中 部高程 ，最大沉降出现在竣工期 ，沉降量约一 2 8 ． 8 7 7 e m ( 占坝高 9 3 m的 0 ． 3 1 ％) ；坝体正常运行 时应力水平 处于正常 范围 ；沥青混凝土 的配合 比对坝体应力影 响较小 ，3号和 9号配合 比均可作为施 工配合 比。 关键词 ：碾压式沥青混凝土心墙 ；堆石坝 ；应力应变分析 ；渗流分析 ；三维非线性有限元法 ；寨子河水库 F i n i t e El e me n t S e e p a g e a n d S t r e s s - Di s p l a c e me n t An a l y s i s f o r Z h a i z i h e As p h a l t Co n c r e te Co r e W a I l Da m YE F a w e n ’ ， 2 7 GAO Ya n g 2 ， Z HANG J i a n h a i ‘ 一 ， Z HAO Yu a n h o n g ( 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r a u l i c s a n d Mo u n t a i n R i v e r D e v e l o p m e n t a n d P r o t e c t i o n , S i c h u a n U n i v e r s i t y , C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， S i c h u a n , C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f W a t e r Re s o u r c e s ＆ Hy d r o p o w e r , S i c h u a n Un i v e r s i t y , Ch e n g d u 61 0 0 6 5 ． S i c h u a n , C h i n a； 3 ． Hy d r o a n d P o we r De s i g n I n s t i t u t e o f S i c h u a n P r o v i n c e , Ch e n g d u 6 1 0 0 7 2 , S i c h u a n , C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e d a m t y p e o f Z h a i z i Re s e r v o i r i s c h o s e n a s r o c k - fi l l d a m wi t h r o l l e d a s p h a l t c o n c r e t e c o r e ． T h e t h r e e - d i me n s i o n a l n o n - l i n e a r fi n i t e e l e me n t me t h o d i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e s e e p a g e a n d s t r e s s - s t r a i n fi e l d s o f d a m d u r i n g c o n s t r u c t i o n a n d o p e r a t i o n p e r i o d s r e s p e c t i v e l y ． Th e r e s u l t s s h o w t h 扎( a )t h e s e e p a g e l a w i n e a c h c o n d i t i o n i s b a s i c a l l y t h e s a me a n d t h e c o r e wa l l a n d c u r t a i n h a s a g o o d e ff e c t o n s e e p a g e c o n t r o l ； ( b ) the l a r g e s t d a m s e t tl e me n t s u n d e r a l l c o n d i t i o n s a r e l o c a t e d i n t h e m i d d l e o f d a m e l e v a t i o n , w h i c h O C C U rs i n c o m p l e t i o n d a t e a n d i s a b o u t _ 2 8 ． 8 7 7 c m ( 0 ．3 1 ％t o d a m h e i g h t ) ； ( C ) t h e s t r e s s l e v e l o f d a m i s i n t h e n o r mal r ang e d u r i n g n o r m a l o p e r a t i o n ； and( d )t h e a s p h al t c o n c r e t e m i x i n g r a t i o h a s o n l y s l i g h t e ff e c t o n t h e s t r e s s - s t r a i n o f d a m , a n d N o ． 3 a n d 9 mi x i n g r a t i o c a n b e s e l e c t e d f o r a c t u a l d a m c o n s t ruc fi o r L Ke y W o r d s ：r o l l e d a s p h alt c o n c r e t e c o r e ； roc k — l6l 1 d am ；s t r e s s a n d s tr a i n a n a l y s i s ；s e e p a g e a n aly s i s ；3 D n o n- l i n e a r F EM； Z h a i z i h e Re s e r v o i r 中图分类号 ： T v 2 2 3 ． 4 ；T V 6 4 1 ． 4 1 ( 2 7 1 ) 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 — 9 3 4 2 ( 2 0 1 4 ) 0 2 — 0 0 6 0 — 0 5 1 工程概况 寨 子河 水 库 位 于 四川 省 万 源市 太 平镇 杜 家 坝 村 和 茶垭 乡磙 子 坪村 境 内 ，水 库 位 于后 河 左 岸一 级 支 流 寨 子 河 中游 。坝 址 以上 控 制 集 水 面 积 2 0 ． 3 k m ， 多年 平 均来 水 量 1 8 2 7万 m。 ，是 一座 以城 市供 水 和 灌 溉 为 主 ，兼 顾 乡村 人 畜供 水 的 中型水 利 工 程 。水 库总 库 容 1 1 7 5万 m。 ，兴 利 库容 9 5 3万 i n ，多 年平 均 城 市 供 水 量 7 8 0万 I n 。 ，设 计 灌 溉 面 积 0 ． 1 3万 h m2 水 库 枢纽 由拦 河 大坝 、泄洪 隧洞 、放 空 隧洞 、 取 水 隧洞 等 建筑 物 组 成 。拦 河 大 坝为 碾 压 式沥 青 混 圈W et t e r P o w e r V o 1 ． 4 0 N o ． 2 凝 土心 墙 堆 石 坝 ．坝 顶 高程 8 8 0 ． 0 0 ru，坝顶 宽 1 0 ． 0 m．坝顶 轴线 长 2 2 7 i n，最 大坝高 9 3 ． 0 IT I ，最 大坝底 宽 约 3 4 2 ． 6 m。大 坝 上 游 边 坡 1 ： 1 ． 7；下 游 坝 坡 马 道 宽 7 ． 0 I n，平均 坡度 1 ： 1 ． 6，局 部坡 度 1 ： 1 ． 2 5 。坝顶 上 游 侧设 C2 0混 凝 土 防浪 墙 ，墙 顶 高 程 8 8 1 ． 2 0 I I 1 。心 墙 与 坝壳 之 间设 过 渡 层 ，上 、下 游侧 水 平 厚度 均 为 3 ． 0 i n 。心 墙底 部设 宽 8 ． 0 1 1 1 、厚 1 ． 0 I T I的 C 2 0混 凝 ．收稿 日期 ：2 0 l 3 — 0 9 — 0 9 作 者简介 ：叶发文 ( 1 9 8 6 一 ) ，男 ，江西 上饶 人 ，硕 士研 究生 主要从事岩土工程 数值模拟研究． u l ， x— x ， 寸： 习 丁， u J／ ／ J J嗣I I ； t： , [ ~ ,C ． --LI bl 悃， U ， 雪P I ， x ^ l上／J 又 J 土 基 座 作 为 帷 幕灌 浆 和 固结灌 浆 的 盖 板 。大 坝 上 、 下游 均 采用 灰 岩 堆 石料 碾 压 填 筑 。基 础 防 渗采 用 帷 幕 灌 浆 ，沿 坝 轴 线共 布 置 3排 防 渗 帷 幕 。排 距 3 ． 0 m，孔 距 2 ． 0 m，帷 幕 深 度 按 伸 人 岩 体 透水 率 q≤3 L u以下 5 ． 0 m控 制 。为解 决 坝肩 绕 坝 渗 漏 问题 ，将 防渗 帷 幕 自两 坝 肩 沿坝 轴 线 分别 向左 、右 坝肩 水 平 延 长 1 0 0 ． 0、 1 2 0 ． 0 m。最 大 帷 幕 灌 浆 深 8 7 ． 8 I n，平 均帷 幕灌 浆深 4 7 ． 3 m。 目前 碾 压 式 沥 青 混 凝 土 心 墙 堆 石 坝 已 建 成 约 1 2 0多座 ，该 坝 型 具有 防 渗性 可 靠 、抗 震 性 强 、适 应 坝 体 和基 础 变 形 能力 强 等 优 点 ．并 且 坝体 结 构 简 单 ，对 骨料 要求 不 高 ，工 程 造价 较 低 ，受气 候 等 条 件影 响 较小 ，尤 其适 用 于寒 冷地 区 ，因 此 沥青 混 凝 土心 墙 坝在 北 方 地 区得 到广 泛 地应 用 『 1 - 2 ] 。坝 体 结 构 设 计 是 工程 的关 键 ，对 大 坝进 行 应 力 变形 分 析 ．可 以 了解 沥青 混凝 土 心墙 的受力 特 点和 安全 稳定 状态 ： 对 大 坝 进行 渗 流 分析 ，可 以 了解 混 凝 土 心墙 的抗 渗 特 性l 3 I 。故本文 对寨 子河 碾 压式 沥青 混凝 土心 墙堆 石 坝进 行 三维 有 限元 分 析 ，模 拟建 设 期及 蓄水 过 程 的 不 同工况 ，研究 分 析 大 坝 的 多个 剖 面 变形 与 应 力 特 征 以及 心墙 的应 力及 应 变 ，得 到 不 同水 位 对 坝 体 的 渗流 及 混凝 土 的不 同配 比对 坝体 及 心墙 的应 力 应 变 影 响情 况 。 2 计算模型 本 文 渗 流分 析 基 于质 量 守 恒 及 达西 定 律 的稳 定 渗 流l4 】 。由于 坝 体 材料( 心 墙料 、反 滤 料 、过 滤 料 、 堆 石 料 )及 坝基 覆 盖层 的应 力 应 变 曲线 具 有 明显 的 非 线 性 特征 I 5 I ．故采 用 邓肯 一 张( Du n c a n — Ch a n g )弹 性 非 线 性 模 型 的 E- p ． 模 型问进行 计 算 。在 不 同材 料 分 界 面之 间设 置 接 触 面单 元 用 以模拟 面板 之 间 的相 对 错 动 ，计算 时 采用 Go o d ma n接触 面模 型 。在模 拟 每层 填筑 或分 级 加载 时采 用“ 中点 增量 法 ” 。蓄水 过 程模 拟 中 ，在 心 墙 上 游 面施 加 水 压 力 ，覆 盖层 以及 自由面 以下堆 石 施 加 向 上渗 透 力 ，混 凝 土 基 座施 加 扬 压 力 。本 文采 用 四川 大 学 水 电学 院多 年 扩充 完 善 的三维 非 线性 有 限元 分 析 程序 N AS GE WI N ( 计算机软 件著作权登记号 ：2 0 0 9 S R0 2 7 6 0 3)进行 建 模计 算 ，该 程 序 已在 十 多个 重 大 土 石坝 工 程 项 目研 究 中取得 了 良好 的应 用效果 。 3 研究方案 3 ． 1 建 立 三维有 限元模 型 寨 子 河 三 维有 限元 计算 的范 围为 ：沿寨 子 河 坝 轴 线上 、下 游分 别 取 2 0 6 ． 0 0、2 1 4 ． 0 0 m，即顺 河 向 方 向截 取 4 2 0 ． 0 0 m；横 河 向 方 向 由桩 号 0 — 2 0 0 ． 0 0 取 至 桩 号 0 + 4 2 0 ． 0 0，横 河 向总 长 6 2 0 ． 0 0 m，共 切 取 纵 剖 面 3 7个 。铅 直 向 Y由 6 5 8 ． 0 0 m 高 程 取 至 地 表 自由面 。三维 有 限元 网格 共 计剖 分 1 3 7 9 7个 节点 和 1 3 4 1 7个 单元 。 3 ． 2计算工况及计算参数 ( 1 )计 算 工 况 。对 寨 子 河 大 坝 进 行 渗 流 及 坝 体 应 力 变 位 的 计 算 分 析 ，共 7种 工 况 。 其 中 ，渗 流 计 算 工 况 S 1 ～ S 4 ( 见 表 1 ) 主要 研 究 沥 青 心 墙 渗 透 系数 相 同 的 情 况 下 ，不 同 水 位 坝 体 及 坝 基 渗 流 场 及 渗 流 量 的 影 响 ；坝 体 应 力 应 变 分 析 主 要 计 算 竣 工 期 和 正 常 蓄水 位 下 的 4种 工 况( 见 表 2) ，采 用 2种 不 同心 墙 沥 青 混 凝 土 配 合 比材 料 分 析 坝 体 应 力 应 变 特 征 。 表 1 寨子河沥青混凝土心墙堆石坝渗流计算工况 表 2寨子河沥青混凝土心墙堆石坝应力应变计算 工况 ( 2 )计 算 参数 。计 算 时采 用 的寨 子 河 碾 压式 沥 青 混 凝 土 心墙 堆 石 坝 材 料物 理 力 学参 数 和 岩 体 物理 力 学参 数 见表 3、4。 表 3寨子河大坝材料物理 力学建议参数( E 模型 ) W a t e r P o w e r V o 1 ． 4 0 N o ． 2 圃