岩质高边坡与船闸混凝土结构相互作用分析_勾正洪.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023岩土力学岩质高边坡与船闸混凝土结构相互作用分析Analysis of Interaction Between High ock Slope and Navigation Lock Concrete Structure勾正洪1，肖晶晶1，朱金鑫2(1 贵州省航电开发投资有限公司，贵州 贵阳 550000;2.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 210098)摘要:在船闸建造工程中的高边坡岩体开挖之后由于其中的地应力可能没有完全释放，其产生的变形会推挤船闸混凝土结构，对船闸混凝土结构的稳定性产生不利影响，从而导致工程的质量、施工安全性大幅下降。因此，有必要分析各种应力释放比例条件下船闸结构应力和位移的分布情况，核算断面强度并计算地基反力及沉降。本文以贵州某高水头船闸为例，运用数值模拟软件 ABAQUS，对三种应力释放的情况下的超高边坡及船闸混凝土结构进行模拟，最后对模拟结果进行分析，为设计工作提供依据。关键词:ABAQUS 有限元软件;岩质高边坡;相互作用;船闸混凝土结构中图分类号:TV331文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01002007DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301004GOU Zhenghong1，XIAO Jingjing1，ZHU Jinxin2(1.Guizhou Avionics Development Investment Co.，Ltd.，Guizhou 550000，China;2.College of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 210098，China)Abstract:In the ship lock construction project，the stress in the slope is not fully released after excavation，the deformation will pushthe ship lock and have an adverse impact on the stability of the ship lock concrete structure，resulting in a significant decline in thequality and construction safety of the project.Therefore，it is necessary to analyze the distribution of stress and displacement of ship lockstructure under various stress release ratios，calculate the section strength and calculate the foundation reaction and settlement.Taking ahigh head ship lock in Guizhou as an example，this paper uses the numerical simulation software ABAQUS to simulate the slope underthree kinds of stress release.Finally，the simulation results are analyzed to provide basis for the design work.Keywords:ABAQUS finite element software;high rock slope;interaction;navigation lock concrete structure作者简介:勾正洪(1981)，男，本科，高级工程师，从事水工建筑或水运工程建设管理。通信作者:朱金鑫(1998)，男，硕士研究生，从事力学数值模拟。收稿日期:202112100引言我国西南地区存在地质条件差、地壳活跃、地应力高，以及地质构造复杂等情况12，库岸边坡岩体多存在断层、错动带、蚀变岩体等地质缺陷，这种复杂的工程地质条件给大型水利水电工程带来了前所未有的工程安全性问题。当前工程设计中通常将超高岩质边坡与船闸混1 期勾正洪等:岩质高边坡与船闸混凝土结构相互作用分析21岩土力学凝土结构作为独立载体分别考虑35，很少将超高岩质边坡开挖610、船闸混凝土结构浇筑11、以及船闸水位变动12 视为统一整体。但是，由于船闸混凝土结构在高度和长度方向尺寸较大，而在厚度方向尺寸很小。岩石高边坡开挖产生的流变变形，将对船闸产生推挤作用，进而危害船闸的稳定性。由于岩质高边坡船闸混凝土结构的协同作用尚未引起足够重视，导致相关研究工作并不多见。杨启贵13 考虑岩体爆破松动及卸荷的影响，建立了岩石高边坡分步开挖稳定性反馈分析模型，对永久船闸高边坡各开挖步进行了预报。唐明煌14 考虑地应力对衬砌式船闸闸室结构的影响，借助大型有限元软件 ABAQUS 研究船闸结构应力和位移分布情况、接触面工作状态及地基应力沉降，指出施工中应加强基坑支护，防止其破坏变形。张京娥15 同样运用大型有限元软件 ABAQUS 建立高边坡条件下混合式船闸闸室结构的有限元模型，分析不同工况下船闸闸室墙的受力及抗滑、抗倾稳定性以及船闸闸室墙不同部位的应力应变大小及分布情况。马能武16 等研究了船闸岩石高边坡变形的时效性，指出时效变形达到稳定的时间与边坡的环境因素和地质条件有关。地质条件好且荷载较小的部位时效变形时间短，反之时间长。当大坝蓄水达到正常蓄水位的时候，受地下水及水压的影响岩体的变形有可能增大。基于现有研究，且考虑到工程实际中由于船闸混凝土结构的边界条件和尺寸效应，岩质高边坡长期流变变形将对船闸混凝土结构产生严重影响。因此，迫切需要研究超高边坡岩体船闸混凝土结构协调作用机制，防止因变形过大造成的船闸混凝土结构破坏。本文以贵州某高水头省水船闸为例，运用数值模拟软件 ABAQUS17，对三种应力释放的情况下的超高边坡及船闸混凝土结构进行模拟分析，为相关实际工程提供指导意见。1工程概况及模型建立1.1岩质高边坡地质参数及建模根据工程地质资料，沿船闸轴向选取 1 个典型剖面作为船闸高边坡稳定性有限元分析计算剖面。典型剖面在工程地质平面图上的位置如图 1所示，选取船闸闸室及省水池工程作为计算剖面22，该剖面有船闸闸室和省水池等结构，所以主要分析典型剖面 22 中边坡开挖后应力释放对混凝土结构的作用，为高边坡工程开挖施工、船闸结构设计提供依据。图 1剖面位置图Fig.1Section location建立的相应数值计算模型如图 2 所示，各数值模型中包含粉质黏土、强风化岩体、弱风化岩体和微风化岩体、断层，相应岩体力学参数见表 1。图 2数值计算模型及材料分区图Fig.2Numerical calculation model and material partition map表 1船闸高边坡各岩层材料力学参数表Table 1Mechanical parameters of each rock stratum ofship lock high slope岩性密度/(kN/m3)摩擦角/黏聚力c/MPa弹性模量E/GPa素填土1880240.020.004420.3粉质黏土191027.810.0220.004950.3强风化砂质板岩249024.230.151.30.35中风化砂质板岩264034.990.5560.3微风化砂质板岩268041.990.88200.25断层249014.040.021.30.35根据上述的地形地质示意图在 ABAQUS 中建模，如图 3 所示。其中红色区域为开挖区域。此模型重力加速度设置为 9.81 m/s;边界条件:模型左右两端设置为水平约束，模型的底面则设置为完全约束。22粉煤灰综合利用37 卷岩土力学图 3剖面 22 建模图Fig.3Section 22 modeling diagram1.2 船闸混凝土结构建模及材料参数船闸建模全景，如图 4 所示。主要分为省水池、闸室、桩机以及回填土部分。其中，本文研究的混凝土结构部分在图 4 中由红线框出。各部分的材料参数根据此工程的情况见表 2。图 4船闸建模全景图与混凝土结构图Fig.4Panorama of ship lock modeling and concretestructure drawing of ship lock表 2船闸各部分材料参数Table 2Material parameters of each part of ship lock材料密度/(kN/m3)摩擦角/黏聚力c/MPa弹性模量E/GPa回填土1900300.21.30.3混凝土250054.93.18300.167桩基250054.93.18300.1671.3不同工况介绍及模拟方法为了探究岩质高边坡与混凝土结构的相互作用，即边坡存在未释放的应力对混凝土结构产生的影响，本文对三种工况进行模拟:工况 1:岩石高边坡开挖后应力完全释放(释放率 100);工况2:岩石高边坡开挖后应力部分释放(释放率 50);工况 3:岩石高边坡开挖后应力完全未释放(释放率 0)。以不同的释放情况对相互作用的影响规律进行比较说明。为了在 ABAQUS 中实现不同的应力释放的工况，通过 ABAQUS 中的软化模量法模拟分层开挖边坡的应力释放:首先开挖船闸结构面以上的边坡，在船闸施工前，将开挖区单元材料模量降低，再通过控制不同的模量软化比例，来模拟不同的应力释放比例工况。然后待软化模量地应力重新平衡后，将开挖面上的节点施加位移约束，移除开挖单元同时激活船闸结构单元，此时两者接触即产生相互作用。这里船闸结构和边坡岩体的摩擦系数设置为 0.6。2模拟结果与分析2.1岩质高边坡 Y 方向位移模拟结果岩质高边坡 Y 方向位移结果如图 5 所示。边坡开挖后应力完全释放(100%)工况下，完建后边坡/地基的竖直位移主要由于船闸结构重力作用，所以只有跟闸室、省水池接触的一定范围内的边坡才有明显的位移，离船闸结构较远处竖直位移几乎为 0。地基最大竖向位移发生在闸室与省水池交界地板台阶处，约为2.26 mm。(a)应力完全释放(100%)工况(b)应力部分释放(50%)工况(c)应力完全未释放(0%)工况图 5岩石高边坡 Y 方向位移Fig.5Y direction displacement of high rock slope边坡开挖后应力仅部分释放(50%)工况下，完建后边坡/地基的竖直位移主要由于船闸结构重力作用和边坡残余应力释放造成，与闸室、省水池接触的边坡在一定范围内明显的位移，右侧船闸结构以上部分边坡受到底部边坡残余应力重新分布也产生了一定的竖直位移。地基最大竖向位1 期勾正洪等:岩质高边坡与船闸混凝土结构相互作用分析23岩土力学移发生在闸室与省水池交界地板台阶处，约为1.57 mm，省水池底部边坡出现了向上的竖直位移，这主要是由于省水池结构重力较小，边坡残余应力释放将省水池结构向上推挤。边坡开挖后应力完全未释放(0)工况下，左侧闸室结构下方向下的竖向位移较 小，约 为0.94 mm;与完全释放的工况相反，右侧省水池下方地基竖向位移方向主要向上，最大向上位移约为 4.03 mm。这里与部分释放的工况一样，由于省水池部分自重较小的原因出现了这部分边坡向上位移的现象。2.2船闸混凝土结构2.2.1船闸混凝土结构应力大小、分布情况应力完全释放(100%)工况下，船闸混凝土结构最大主应力分布情况如图 6(a)所示。拉应力较大区域分别在船闸左侧第一个阶梯断面下部区域、船闸与省水池交界处下部、二三级省水池地板一定区域，最大拉应力值为 0.958 MPa。图 6(b)为船闸结构最小主应力分布情况，压应力较大区域为船闸地板转角处，最大压应 力 值 为5.76 MPa。(a)最大主应力(b)最小主应力图 6应力完全释放(100%)工况下最大和最小主应力图Fig.6Maximum and minimum principal stress diagramunder full stress release(100%)conditions应力部分释放(50%)工况下，船闸结构最大主应力分布情况如图 7(a)所示。船闸结构最大主应力分布和应力完全释放(100%)工况下的最大主应力分布规律、拉应力出现位置基本一致，最大拉应力值为 1.19 MPa，相较于应力完全释放(100%)工况最大拉应力值(0.958 MPa)增大约24.2%。图 7(b)为船闸结构最小主应力分布情况，最大压应力值为 6.199 MPa，较应力完全释放(100%)工况最大压应力值(5.76 MPa)增大约 7.6%。(a)最大主应力(b)最小主应力图 7应力部分释放(50%)工况下最大和最小主应力图Fig.7Maximum and minimum principal stress diagramunder full stress release(50%)conditions应力完全未释放(0)工况下，船闸结构最大主应力分布情况如图 8(a)所示。船闸结构和应力完 全 释 放(100%)工 况、应 力 部 分 释 放(50%)工况下的最大主应力分布规律、拉应力出现位置基本一致，最大拉应力值为 1.667 MPa，较应力 完 全 释 放(100%)工 况 最 大 拉 应 力 值(0.958 MPa)增大约 74.2%，较应力部分释放(50%)工况最大拉应力值(1.19 MPa)增大约40.1%。图 8(b)为船闸结构最小主应力分布情况，也同样是和前两种工况下的最小主应力分布规律、压应力出现位置基本一致，最大压应力值为6.424 MPa，较应力完全释放(100%)工况最大压应力值(5.76 MPa)增大约 11.5%，较应力部分释24粉煤灰综合利用37 卷岩土力学放(50%)工况最大压应力值(6.199 MPa)增大约 3.6%。(a)最大主应力(b)最小主应力图 8应力完全未释放(0)工况下最大和最小主应力图Fig.8Maximum and minimum principal stress diagramunder full stress release(0)conditions2.2.2三种工况下的船闸混凝土结构的位移大小、分布情况图 9(a)为应力完全释放(100%)工况下，船闸结构水平位移分布情况。左右两侧结构受到岩体压力产生向船闸内的水平位移，左侧结构顶面最大水平位移为 2.9 mm，右侧结构顶面最大水平位移为1.46 mm。由于受到船闸结构地板和底部岩石的摩擦约束，水平位移自上而下逐渐变小。图 9(b)为船闸结构竖直位移分布情况，闸室及省水池受自重作用产生向下的竖直位移，闸室左侧及三级省水池右侧墙体竖直位移最大约为2.69 mm，由于闸室和省水池地板受到岩体的摩擦力约束，竖直位移自上而下逐渐减小，且底板厚度较薄，地板竖直位移最小，约为0.75 mm。(a)水平位移(b)竖直位移图 9应力完全释放(100%)工况下结构位移图Fig.9The displacement diagram of the structure underfull stress release(100%)conditions图 10(a)为应力部分释放(50%)工况下，船闸结构水平位移分布情况。由于在边坡开挖过程中应力部分释放(50%)，在船闸结构完建后边坡残余应力继续释放，左右两侧结构受到岩体压力产生向船闸内的水平位移，左侧结构顶面最大水平位移为 3.02 mm，右侧结构顶面最大水平位移为2.15 mm。由于受到船闸结构地板和底部岩石的摩擦力约束，水平位移自上而下逐渐变小，水平位移分布和应力完全释放(100%)工况规律基本一致。由于船闸结构左右两侧结构受到岩体压力产生更大的作用力，左右两侧最大水平位移较应力完全释放(100%)工况分别增大约 4%和53.6%，右侧结构水平位移增幅远大于左侧结构水平位移增幅，这是由于右侧边坡较高，且开挖放量大于左侧边坡，边坡残余应力释放产生对结构的作用力也较大。图 10(b)为应力部分释放(50%)工况下，船闸结构竖直位移分布情况，闸室及省水池受自重作用产生向下的竖直位移，闸室左侧及三级省水池右侧墙体竖直位移最大约为2.01 mm，由于闸室和省水池地板受到岩体的摩擦力约束，竖直位移自上而下逐渐减小，由于底板厚度较薄，地板竖直位移最小，约为 0.44 mm，方向向上，与应力完全释放(100%)工况得到的方向相反。这主要是因为边坡残余应力继续释放，向上顶推船闸结构，造成了省水池底板产生向上的竖直位移，由于边坡的向上顶推导致省水池地板产生较大的拉应力。图 11(a)为应力完全未释放(0)工况下，船闸结构水平位移分布情况，船闸结构完建后边坡残余应力开始释放，左侧结构顶面最大水平位移为1 期勾正洪等:岩质高边坡与船闸混凝土结构相互作用分析25岩土力学(a)水平位移(b)竖直位移图 10应力部分释放(50%)工况下结构位移图Fig.10The horizontal diagram of the structure underfull stress release(50%)conditions3.15 mm，右侧结构顶面最大水平位移为3.14 mm。由于受到船闸结构地板和底部岩石的摩擦约束，水平位移自上而下逐渐变小。由于船闸结构左右两侧结构受到岩体压力产生更大的作用力，左右两侧最大水平位移较工况 1 分别增大约 8.6%和115.1%，较工况 2 分别增大约 4.3%和 46.0%。图 11(b)为应力完全未释放(0)工况下，船闸结构竖直位移分布情况，闸室及省水池受自重作用产生向下的竖直位移，闸室左侧墙体竖直位移最大约为1.33 mm，由于闸室和省水池地板受到岩体的摩擦力约束，竖直位移自上而下逐渐减小，由于省水池结构自重小，与前面两个工况相反省水池部分出现整体向上位移，省水池底板最大竖向位移约为 2.61 mm，而正是由于边坡的向上顶推导致省水池地板产生较大的拉应力。(a)水平位移(b)竖直位移图 11应力完全未释放(0)工况下结构位移图Fig.11The horizontal diagram of the structure underfull stress release(0)conditions3数值模拟结果对比总结图 12 为三种工况的模拟对比，由图 12 可以发现，在较低的应力释放工况下，船闸结构会受到更大的作用力，从而导致过大的变形，例如工况 3船闸右侧最大水平位移较工况 1 增大约 115.1%，竖向位移的差距比例相当大，同时可以发现这种相互作用对于开挖较多的部分作用尤其明显。右侧的省水池结构也因为自重较小被推挤至发生与重力相反的位移。从而产生较大的拉力，这对于混凝土结构来说是相当危险的。所以在船闸建造工程中，我们需要根据实际情况选择对应的应力释放率区间对岩质高边坡与船闸混凝土结构的相互作用做出提前的预估，以避免对结构产生不利影响。(a)最大拉应力(b)最大水平位移26粉煤灰综合利用37 卷岩土力学(c)最大竖向位移图 12船闸混凝土结构模拟结果柱状图Fig.12Column chart of ship lock concrete structure simulation results4结论本文基于 ABAQUS 中的软化模量法对于超高边坡岩体船闸混凝土结构的相互作用的问题展开研究，模拟工程边坡开挖后不同应力的释放比率 100%、50%、0，对这三种工况对混凝土结构的作用进行了有限元数值模拟，得到以下结论:(1)不同应力释放下相互作用的情况会有相当大的差异，在极端情况下，即 0 释放率工况下其最大拉应力相较 100%释放率的情况下提升了74.2%，与 50%释放率的工况相比增大约 40.1%。应力未释放完全的情况下高岩质边坡会向上推挤船闸的混凝土结构，产生较大的拉应力的增长，从而威胁混凝土结构的安全。(2)从位移差异的角度来看，不同的应力释放率，其 混 凝 土 结 构 水 平 位 移 最 多 增 大 了115.1%，混凝土结构竖向位移也有相当明显的差距，对结构的底部产生较大的拉应力。其中，开挖程度更多的区域或混凝土结构较薄弱的区域就会发生更严重的形变，所以在这些危险区域要注意岩质高边坡与船闸混凝土结构的相互作用产生的影响，需要提前对混凝土结构的强度进行验算求证。参考文献 1 丁俊，魏伦武，赖绍民，等.我国西南地区城市地质灾害与防治对策 J.中国地质灾害与防治学报，2004(S1):125128.2 季伟峰，胡时友，宋军.中国西南地区主要地质灾害及常用监测方法 J.中国地质灾害与防治学报，2007(S1):3841.3 陈磊，邓润兴.三峡船闸边坡局部稳定加固设计与实践 C/第十一届边坡工程技术大会论文集，2019:246249.4 朱维申，张玉军.三峡船闸高边坡节理岩体稳定分析及加固方案初步研究 J.岩石力学与工程学报，1996(4):28.5 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