基于ANSYS的混合坝渗流-应力场分析

2021-12-04 09:10张友利何建新
水利科技与经济 2021年11期
关键词:心墙水头渗流

张友利,彭 畅,何建新

(1.南京水利科学研究院,南京 210029;2.江苏科兴项目管理有限公司,南京 210029)

0 引 言

经过近现代以来水利水电工程的开发与建设,随着建坝的地形地质条件愈加复杂多样,传统单一坝型往往受到地形地质的制约或在经济上不合理。混合坝的坝型结合重力坝及土石坝的优点,成为水利水电工程常采用的一种布置型式[1-2]。在混合坝的设计与施工中,受两种坝体材料性质差异较大等因素的影响,其连接部位的应力和渗流场较为复杂,是设计施工的关键部位,需要给予重点关注[3]。由于混凝土和土石两种材料的结构和荷载不同,在接触面极易出现局部滑移、错动和张开等非连续的变形行为,而这些变形行为又会导致集中渗流的发生,在有限元仿真分析中,渗流与应力是相互关联相互影响的,因此在进行渗流计算时有必要同时考虑应力场的影响因素[4]。本文基于ANSYS有限元分析软件,建立混合坝三维有限元模型,采用邓肯张E-B模型[5-6]来模拟土石坝坝体材料非线性特征,在设计水位工况下,对混合坝三维有限元模型的渗流-应力耦合场进行分析研究。研究成果可为混合坝设计施工提供参考。

1 计算理论与方法

土体的非线性特性可近似描述为[6]:

(1)

式中:σ1、σ3为第一、第三主应力;εa为轴向应变;Ei和Rf分别为初始弹模和破坏比。

(2)

式中:(σ1-σ3)f为破坏时的第一、第三主应力之差;(σ1-σ3)ult为双曲线渐近线相映射的第一和第三主应力差。

围压与切线体积模量Bt关系可表述为:

(3)

式中:Kb为体积模量数;m为无量纲系数。

通常情况下,由于粗粒料的莫尔包线并非为直线,故而要使用下列内摩擦角计算公式:

(4)

式中:Δφ为σ3增大10倍时φ的减小值。

该模型可用卸荷-再加荷模量Eur来代替Et,其中Eur可由下式求得:

(5)

式中:Kur为试验常数,一般情况下Kur>K。

2 混合坝分析模型的建立

本节以某大坝实际工程为例,建立其混合坝部位的三维有限元模型,该混合坝段采用低挡墙+刺墙的连接方式,其中刺墙长度75.0 m。大坝坝顶高程为110.8 m,混凝土刺墙上游面边坡坡度设置分别为1∶0.2、1∶0.1和1∶0.1,下游面边坡坡度设置分别为1∶0.6、1∶0.4和1∶0.25。其中,混凝土刺墙插入黏土心墙,黏土心墙与土坝段心墙相连接,见图1,坝体分为坝壳砂料(坝基开挖风化料)、心墙黏土(Q3低液限黏土)和刺墙(混凝土)3个部分。图2为混合坝有限元模型。有限元模型共划分8 466个单元和9 156个节点。

图1 混合坝材料分区

图2 混合坝有限元计算模型

在对混合坝渗流应力场进行仿真分析时,采用弹性材料模拟刺墙混凝土部分,混凝土弹模E=2.5e10 MPa,渗透系数k=1.7×10-11,初始空隙比1.0,密度ρ=2 500 kg/m3。土石坝材料采用邓肯E-B模型来模拟,土石坝坝体参数见表1。

表1 邓肯张模型力学参数

3 混合坝渗流应力场耦合分析

根据工程资料可知,混合坝模型上游设计水位高程96.2 m,大坝底高程为64.32 m。在进行有限元分析时,模型底部、沿坝轴线两端、顺河向两端均按作不透水边界处理。位移约束条件为:模型底部全约束,坝轴线两端面和顺河向两端面采用链杆约束。图3为混合坝模型压力水头云图。由于坝壳料渗透系数较大,故其水头差异较小;而黏土心墙部分,由于黏土渗透系数较小,随着黏土心墙深度方向,其压力水头变化较大。

图3 混合坝压力水头云图

图4为水在坝体模型内部发生渗流时的压力水头云图。从图4中可以看出,与下游面相比,混合坝上游临水面压力水头较大。在进行渗流分析时,作为坝体材料饱和渗流区和非饱和渗流区的分界面,坝体浸润线是一个重要分析指标,其中饱和渗流区位于浸润线以下,非饱和渗流区位于浸润线以上。在ANSYS后处理模块中,提取浸润线参数时需要加入一条判断语句,即将坝体单元压力水头为负值区域重新赋值为0,坝体单元压力水头为正值区域则保持不变,坝体浸润线见图5。从图5可以看出,由于刺墙混凝土材料与心墙黏土材料的差异性,浸润线在二者接触部位发生突变,接触面的水头值与坝体上游面几乎保持一致,说明上游静水压力主要作用在刺墙与上游心墙接触面部位。

图4 混合坝压力水头云图

图5 混合坝浸润面云图

为进一步研究混合坝接触部位的渗流场变化规律,选取刺墙附近绕坝线分析绕坝线不同位置的渗流情况。选取绕坝线高程为80.0 m,以上游刺墙接触点为起点,沿刺墙绕过前端至下游面接触点止,绕线全长76.0 m。绕坝线渗流速度见图6。总体来看,绕坝线开始和结束时段,渗流速度较为平缓,且随着与刺墙顶端距离的缩小,有逐渐减小趋势;当距离缩小到一定范围内时,渗流速度急剧增大,在刺墙顶端达到最大值,这是由于刺墙顶端处黏土心墙渗透系数与混凝土材料相比较大。图7为绕坝线水力梯度随距离变化关系曲线。与渗流速度情况类似,绕坝线水力梯度随着与刺墙顶端距离的缩小,有逐渐减小趋势;当距离缩小到一定范围内时,水力梯度又急剧增大,并在刺墙顶端拐角处达到最大值。从图7中可以看出,上游面刺墙拐角处绕坝线最大水力梯度值为0.25,从安全角度考虑,为避免刺墙拐角处水力梯度和渗流速度过大,在混合坝设计时,可以考虑将拐角形式布置为圆弧拐形。另外,增大刺墙与土坝心墙接触面也利于减小突变的发生,从而使绕坝线的水力梯度和渗流速度缓慢变化。

图6 绕坝线渗流速度

图7 绕坝线水力梯度

4 结 语

随着筑坝技术的提高和坝址条件选择的放宽,水利工程常常面临复杂的地形地质条件,混合坝结合了重力坝及土石坝的优点,成为大型水利工程中常用的一种布置型式。本文以某混合坝实际工程为研究对象,对三维有限元模型在设计水位下的渗流-应力场进行仿真分析。研究成果表明,由于刺墙混凝土材料与心墙黏土材料的差异性,浸润线在二者接触部位发生突变,上游静水压力主要作用在刺墙与上游心墙接触面部位。通过对绕坝线的渗流速度和水力梯度变化规律的研究发现,二者均在刺墙顶端拐角处产生突变,从安全角度考虑,为避免刺墙拐角处水力梯度和渗流速度过大,在混合坝设计时,可以考虑将拐角形式布置为圆弧形或增大刺墙与土坝心墙接触面。

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