深厚覆盖层上沥青混凝土心墙土石坝的应力变形特征.pdf
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1、第 3 7 卷第 4期 2 0 1 1 年4月 水 力 发 电 深 厚 覆 盖 层 上 沥 青 混 凝 土 心 墙 土 石 j r t 应 力 变 形 特 征 丁树 云 毕 庆涛 1 , 2 ( 1 华北水 利水 电学院 ,河南郑州 I 4 5 0 0 1 1 ; 2 河海大学岩土力 学与堤坝工程教 育部 重点实验 室,江 苏南京2 1 0 0 2 9 ) 摘 要 :由于深厚覆盖层具有 一定的可压缩性 ,修建 在其上的沥青混凝 土心墙坝坝体会发生沉 降 ,且最大沉降位于 距坝顶 2 3坝高处 ;受坝体 的影响 ,坝基深厚覆 盖层也会 向上 、下游 发生水平位 移 ;沥青混凝 土心墙存在 明显的
2、应 力拱效应 ,蓄水后 减弱。以在 1 2 0 m 深覆盖层上修建 坝高 1 0 0 m沥青混 凝土心墙坝 的有 限元分 析为例 ,探讨了沥青 混凝 土 心 墙 土 石 坝 在 深 厚覆 盖层 上 的 应 力 变 形 特 性 。 关键词 :深厚 覆盖层 ;应力 变形 ;有 限元 ;沥青混凝土心墙土石坝 S t r e s s a n d De f o r ma t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f Emb a n k m e n t Da m wi t h As pha l t Conc r e t e Cor e W a l l Founde d
3、o n De e p Ove r b ur de n D i n g S h u y u n , B i Q i n g t a o f 1 N o r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e t r i c P o w e r , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 l , He n a n , Ch i n a ; 2 Ke y L a b o r a t o r y o f Mi n i s t r y o f E d u c a t
4、i o n f o r G e o me c h a n i c s a n d E mb a n k me n t E n g i n e e r i n g , H o h a i U n i v e r s i t y , N a n j i n g 2 1 0 0 2 9 , J i a n g s u , C h i n a ) Ab s t r a c t :T h e c o mp r e s s i b i l i t y o f d e e p o v e r b u r d e n wi l l l e a d t h e s e t t l e me n t o f e
5、mb a n k me n t d a m wi t h a s p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l f o u nd e d o n i t ,a n d t he ma xi mum s e t t l e me n t i s l oc a t e d i n t he p l a c e s wi t h a d i s t an c e o f 2 3 d a m h e i g h t t o d a m c r e s t Th e d e e p o v e r b u r d e n w i l l a l s o a p p e
6、 a r h o ri z o n t a l d i s p l a c e me n t t o u p p e r a n d d o wn s t r e a ms a ft e r d a m c o n s t r u c t i o n T h e a s p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l h a s o b vi o us a r c hi n g e f f e c t wh i c h wi l l we a ke n a f t e r s t o r a g eTh e s t r e s s a nd d e f o r
7、 ma t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f a 1 0 0 i n h i g h e mb a n k me n t d a m w i t h a s p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l f o u n d e d o n 1 2 0 m - d e e p o v e r b u r d e n a r e a n a l y z e d h e r e i n b y fin i t e e l eme n t me t h o d Ke y W o r d s : d e e p o v e
8、r b u r d e n ;s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n;fin i t e e l e me n t me t h o d;e mb a n k me n t d a m wi t h a s p h a l t c o n c r e t e c o r e wa l l 中图分类号 : T V 6 4 1 4 1 ;T V 3 1 4 文献标识码 : A 文章编号 : 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 0 4 3 - 0 3 目前 ,对 在 深 厚 覆 盖 层 上 修 建 大 坝 的 研 究 , 越
9、来 越 受 科 研 和 工 程 界 的 重 视 。 3 0 0 m 级 高 土 质 心 墙 坝 的 应 力 变 形 分 析 , 已 经 取 得 了 较 多 研 究 成 果 ; 对 沥 青 混 凝 土 心 墙 高 土 石 坝( 1 0 0 m) 的 应 力 变 形 特 征 ,研 究 成 果 较 少 I 1 _2 】 。 为 此 , 本 文 针 对 某 沥 青 混 凝 土 一 已 、 墙 高 坝 进 行 有 限 元 分 析 , 研 究 建 在 深 厚 覆 盖 层 上 的 坝 体 的 应 力 变 形 特 性 为 其 他 类 似 T 程 提 供 参 考 。 1 有限元模型 某 沥 青 混 凝 土 心
10、墙 土 石 坝 最 大 坝 高 1 O 0 t n, 坝 顶 宽 度 1 0 m。 心 墙 最 大 高 度 9 7 m, 厚1 0 m。 上 、 下 游 坝 坡 均 为 1 : 2 0: 下 游 坝 基 设 置 厚 2 0 m 的 水 平 反 滤 层 。 坝 址 区 河 床 覆 盖 层 钻 孔 揭 露 厚 度 为 5 5 1 2 0 13 3 地 层 结 构 由 下 而 上 总 体 上 为 含 漂 砾 卵 石 层 、 含 砂 卵 砾 石 层 、 含 漂 砾 卵 石 层 和 粉 砂 层 4大 层 。 坝 基 防渗 采 用 混 凝 土 防渗 墙 结 合 灌 浆 帷幕 形 式 ,防渗 收稿 日期 :
11、2 0 1 0 一 l 0 1 5 基 金 项 目 : 华 北 水 利 水 电 学 院 高 层 次 人 才 引 进 科 研 基 金 项 目 ( 0 0 1 2 5 7 ,0 0 1 2 7 3 ) ;河 海 大 学 岩 土 力 学 与堤 坝 丁 程 教 育 部 实 验 室 开 放基金项 目 ( G H 2 0 0 9 0 2 ) 作者简介 :丁树云 ( 1 9 8 1 -) ,女 ,河南开封人 ,讲师 ,博士 ,主 要从 事粗粒土试验及土石坝数值分析方面研究 墙 最大 深度 为 1 0 0 m厚 1 0 m。坝体及 坝 基典 型横 剖 面 见 图 1 ,上 游 围 堰 作 为 坝 体 的一 部
12、 分 。 上游过渡层 劫 青 混 矬 土 心 墙 、 件 _ 、及 德 层 = _ 塑三 l 堑 堕 l1 、 层 一 含i磊 =二 基岩 竺 一 图 1 沥 青 混凝 土 心 墙 坝 最 大横 剖面 对 坝 体 按 结 构 、 材 料 进 行 单 元 划 分 以 反 映 建 筑 物 主 要 结 构 。 在 研 究 地 质 结 构 的 基 础 上 ,对 坝 基 进 行 概 化 处 理 , 以 反 映 主 要 的 地 质 构 造 。单 元 网 格 大 部 分 为 四 边 形 ,少 数 采 用 三 角 形 单 元 过 渡 。 在 混 凝 土 结 构 周 围 设 置 了 无 厚 度 古 德 曼( G
13、 o o d ma n ) 接 触 面 单 元 。底 部 边 界 按 竖 向 固 定 约 束 ,上 、 下 游 地基 边 界 按水 平 方 向固定 约 束 。共 剖 分 1 6 4 7个 结 点 ,1 6 0 7个 单元( 见 图 2) 。 图 2 沥青混凝土心墙坝有 限元网格 2 模型参数与计算过程 2 1 模 型参数 沥青 混凝 土 心墙 土 石 坝 的有 限元 计 算 中 堆 石 料 、 沥 青 混 凝 土 心 墙 料 的 本 构 关 系 采 用 邓 肯 E B模 型 各 分 区 材 料 的 模 型 参 数 见 表 1 。 坝 基 防 渗 墙 、 底 座 混凝 土 、基 岩 按 线 弹性
14、 材 料模 拟 ,模 型参数 见 表 2 。为 防止 混 凝 土 与 土 石 接 触 处 出现 不 连 续 变 形 ,设 置 无 厚 度 Go o d ma n接 触 面 单 元 。其 模 型 参 数 见 表 3 。 表 2坝 基 混凝 土 及 基 岩 参 数 2 2计 算过 程 有 限 元 计 算 时 采 用 分 级 加 荷 对 大 坝 施 工 及 蓄 水 过 程进 行 模 拟 。先 填 筑 围堰 ,然 后 填 筑 坝体 。共 分 1 7级 荷 载 计 算 覆 盖 层 作 第 1级 荷 载 , 围 堰 分 2 级 荷 载 ,坝 体施 工 到 坝顶 分 9级荷 载 ,蓄水 至 正 常 水 位
15、分 2级 加 载 ,降 低 水 位至 死水 位 1级荷 载 ,然 后 再 升 降 一 个 循 环 , 即 2级 荷 载 。 3 应力变形特征分析 土 石 坝 有 限 元 计 算 及 成 果 整 理 时 按 照 土 力 学 惯例 ,正应 力 以压为 正 ,拉为 负 ;应 变 以压 缩为 正 , 膨 胀 为负 。坐标 系取顺 河 向指 向下游 为 轴正 方 向 , 竖 直 向 上 为 Y轴 正 方 向 。 3 1 坝体 应 力变 形 在 竣 工 期 及 蓄 水 期( 蓄 水 至 正 常 蓄 水 位 ) , 坝 体 、地 基 覆 盖 层 、沥 青 混 凝 土 心 墙 的 应 力 变 形 的 特 征
16、值 见 表 4。竣 工 期 及 蓄 水 期 坝 体 发 生 的 累 积 沉 降 、 水平 位 移 、第 一 主 应力 及 应 力水 平 等值 线 分 布分 别 见 图 3、4。 从 图 3 a和 图 4 a可 以看 出 ,竣 工 及 蓄水 期 ,土 石 坝 沉 降 最 大 值 均 发 生 在 距 坝 顶 约 2 3坝 高 处 , 竣 工期 的沉 降最 大值 发 生 在 心墙 内 ,蓄水 期 的沉 降 最 表 1 沥青混凝土心墙土石坝的模型参数 混凝土 ( 泥皮 ) 与覆盖层接触面 混凝土垫座与坝体堆石接触面 0 8 6 08 6 1 4 0 0 2 4 0 0 O-3 0 0 3 4 9 9
17、9 0 0 0 0 0 9 9 9 0 0 0 0 0 8 1 O 1 O 1 5 田W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 4 第 3 7卷第 4期 丁树云 , 等: 深厚覆盖层上沥青混凝土心墙土石坝的应力变形特征 a 沉 降等值 线 ( 单位 :c m) 、 , a 沉降等值线 ( 单位: c m) b 水平位 移等值线 ( 单位:c m) c 第 主应力等值线 ( 单位 : MP a )d 应 力水平等值线 图 3竣 工期 沥 青 混 凝 土 心 墙 土 石 坝 应 力 变 形 等 值 线 b 水平 位移等值线 ( 单位 :c m) c 第一 主应力等值线 (
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- 深厚 覆盖层 沥青 混凝土 土石 应力 变形 特征
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