深覆盖层对面板堆石坝的应力应变的影响

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1、http://www.paper.edu.cn深覆盖层对面板堆石坝的应力应变的影响周建波，尚波1.河海大学水利水电工程学院，江苏南京（210098）E-mail：pyabo@126.com摘要：采用邓肯张E-B非线性模型对某面板堆石坝工程进行了二维有限元应力和应变分析，针对不同覆盖层处理方式，分别研究了其对坝体和面板的变形和应力的影响，对于覆盖层开挖和保留进行的论证，给出了覆盖层上的面板堆石坝的应力和变形的特点，为大坝的安全设计提供依据。关键词：覆盖层；面板堆石坝；有限元分析中图分类号：1．引言随着我国面板堆石坝建设筑坝技术的发展，据不完全

2、统计，至2005年我国已建在建100m以上面板坝工程已接近40座，且不少面板坝坐落在深厚覆盖层上，如新疆察汗乌苏坝，[1][2]甘肃九甸霞坝等，因此覆盖层对于面板堆石坝的影响也引起了众多学者的关注和研究。[3]对于坐落在砂砾石覆盖层上的面板堆石坝，其地基处理一般采用以下三种方式：（1）将覆盖层全部挖除；（2）将趾板开挖后置于基岩上，而坝体建于砂砾石层上；（3）将趾板置于砂砾石层上，并采用混凝土防渗墙处理地基。三种方式各有优缺点，第一种方式适合地基覆盖层比较浅的时候，第二种方式目前最为常用，如西北口、乌鲁瓦提、珊溪和黑泉等。第三种方式在覆盖层

3、比较深厚的时候考虑比较有效，如智利的圣塔约纳（坝高67m，覆盖层厚35m）、帕科拉罗（坝高83m，覆盖层厚113m）。本文通过覆盖层采用第一种处理方式和第二种处理方式对面板堆石坝进行二维非线性有限元应力应变分析，结合某具体工程，给出了不同处理方式对于面板堆石坝的应力应变影响。2．工程概况某水电站位于四川省凉山州木里县境内的木里河干流上，系木里河干流(上通坝～阿布地河段)水电规划“一库六级”的第二个梯级，是该河段梯级开发的“控制性水库”工程。挡水面板坝坝顶高程2856.0m，坝顶宽11m，坝轴线长323m；建基面高程2680.0m，最大坝高1

4、76m，上游坝坡为1：1.4、下游坝坡为1：1.5，坝体大部分坐落在最大深度18m的覆盖层上。3．非线性本构模型与计算方法3.1本构模型本次选择邓肯张E-B模型用作堆石料、垫层和过渡料等的本构模型。模型以切线弹性模量Et和切线体积模量Bt做为计算参数。其中切线弹性模量表达式为：-1-http://www.paper.edu.cnn⎛σ3⎞2Et=KPa⎜⎟()1−RfS(1)⎝Pa⎠S为剪应力水平，反映材料强度发挥程度，表达式为：σ−σ13S=(2)()σ−σ13f(σ1-σ3)f为破坏时的偏应力，由摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）破

5、坏准则得：2Ccosϕ−2σsinϕ3()σ1−σ3f=(3)1−sinϕ切线体积变形模量为：m⎛σ3⎞B=KPa⎜⎟(4)tb⎝Pa⎠对于卸载情况，采用回弹模量Eur进行计算：nur⎛σ3⎞E=KPa⎜⎟(5)urur⎝Pa⎠堆石料的强度在一定程度上表现出非线性，以式(6)考虑粗粒料内摩擦角ϕ随围压σ3的变化。⎛σ3⎞ϕ=ϕ0−Δϕlg⎜⎟(6)⎝Pa⎠上述各式中，Pa为单位大气压力，C、ϕ0、Δϕ、K、n、Rf、Kb、m、Kur、nur为模型参数，由常规三轴试验得出，材料参数见表1。面板堆石坝中混凝土面板与垫层料的刚度差异较大。在外荷载

6、作用下,两种材料在交接部位的变形可能存在不连续现象。为模拟两种不同材料间的相互作用，进行有限元分析时，设置Goodman接触面单元处理这种位移不协调问题。混凝土面板和趾板采用线弹性模型。线3弹性模型参数取：容重ρ＝2.4(g/cm)、摩擦角Ф＝48°、凝聚力C＝2000kPa、弹性模量E=30GPa、泊松比μ=0.17。3.2计算模型选取河床最大剖面进行平面有限元计算，采用笛卡尔直角坐标系，以垂直于坝轴线的水平方向为x坐标轴，以垂直于坝轴线的垂直方向为y坐标轴。通过网格剖分，整个模型共划分为单元数471个，结点数585个，其中实体单元452

7、个，接触面单元19个，计算模型网格见图1。-2-http://www.paper.edu.cn（a）第一种处理方式（b）第二种处理方式图1计算模型网格图表1DuncanE-B模型计算参数(非线性材料)材料ρφоΔφE-B模型KnRfKur3名称(g/cm)(度)(度)Kbm垫层料2.1651.07.98770.460.8017003630.33过渡层料2.1354.011.813490.290.8427004170.13主堆石料2.1050.99.610960.100.7622003160.10次堆石料2.0252.010.510000.1

8、10.7720002900.09覆盖层1.2538.96.77800.390.7215603050.193.3施工加载考虑到坝体施工分层填筑的特点和堆石体的非线性特性，荷载采用逐