石壩現狀的分析管理論文
1.前言
現代碾壓面板堆石壩具有工程量小﹑工期短﹑造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，已成為壩型選擇的主要類(lèi)型之一，在我國已成大規模推廣的趨勢。國內已建成的有關(guān)門(mén)山、柯柯亞、成屏、西北口、天生橋面板堆石壩等十余座，正在規劃設計的有10余座，廣泛分布于全國各地。20世紀50年代以前設計的堆石壩一般是不計算壩體應力應變的，但隨著(zhù)計算技術(shù)的發(fā)展和壩體的日益增高，同時(shí)在一些壩體中發(fā)現裂縫，壩體應力應變計算才逐步為人們所重視。
從“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始，國內專(zhuān)家用不同的計算模型，考慮面板受力特點(diǎn)，采用相應的參數，對高面板壩進(jìn)行二維、三維有限元分析計算。但是到目前為止，國內外對這種壩主要憑經(jīng)驗設計。由于堆石體材料特性十分復雜，有限元的計算結果與實(shí)際觀(guān)測值之間還存在一定的差距�？梢�(jiàn)，在這方面尚有許多研究工作有待開(kāi)展。
2．堆石體材料的本構關(guān)系
堆石體的本構關(guān)系表達了堆石體應力應變之間的關(guān)系，它無(wú)疑對應力應變的計算結果起決定性作用。目前建立堆石體本構關(guān)系往往基于已有模型，再針對堆石的力學(xué)特性確定甚至調整本構關(guān)系中各種材料參數。面板壩有限元計算時(shí)常采用非線(xiàn)性彈性模型和彈塑性模型。
2.1非線(xiàn)性彈性模型
非線(xiàn)性彈性模型包括鄧肯模型、內勒模型、修正鄧肯模型和鄧肯模型等。這些模型最初是針對土、砂等一類(lèi)材料在常規三軸試驗基礎上提出的，僅適用于二維分析計算，其中計算結果和已建壩實(shí)測結果較為符合的是鄧肯E-B模型和內勒模型[7]。
2.1.1鄧肯模型[1][8]
康納(Kondner)根據常規三軸試驗結果發(fā)現，關(guān)系可用雙曲線(xiàn)擬合。隨后，鄧肯(Duncan)引入摩爾-庫侖(MohrCoulomb)破壞準則，導出切線(xiàn)彈模為
式中,為凝聚力；為初始彈模；為破壞比,是破壞時(shí)主應力差和應力應變雙曲線(xiàn)的漸近線(xiàn)的縱坐標的比值,即/；為內摩擦角,對于粗粒土假定是的函數，即,式中和為試驗參數，大氣壓(下同)。
詹布(Janbu)據試驗指出初始彈模和側限壓力有如下關(guān)系：式中、為兩個(gè)由試驗確定的參數。
相應于卸荷再加荷情況的切線(xiàn)彈模為，按下式計算式中、是由試驗確定的兩個(gè)參數，一般較為大。
1980年，鄧肯(Duncan)提出切線(xiàn)體積模量的計算式式中、為試驗常數。
體模相當于修正鄧肯模型中的,考慮到只能在之間變化，故有限元計算中應限定在范圍內，否則得不到合理計算結果。
平面應變條件下鄧肯模型的增量型本構關(guān)系為式中、為法向應力增量；為剪應力增量；、為法向應變增量；為剪應變增量。
鄧肯模型的不足之處在于它不能反映壓縮與剪切的交叉影響；不能反映各向異性；不能反映加荷卸荷對的變化；不能反映中主應力對強度指標的影響等。但總的來(lái)說(shuō)，該模型反映了堆石體變形的主要規律。它反映了非線(xiàn)性；用于增量計算時(shí)，能反映應力路徑對變形的影響；通過(guò)與的差別部分體現了加荷卸荷對變形的影響；通過(guò)假定是的函數，在一定程度上考慮了高固結壓力的影響。再加上該模型簡(jiǎn)便直觀(guān)，概念明確，并積累了相當多的應用經(jīng)驗，因此目前被工程設計人員廣泛使用。
2.1.2內勒模型[7]
內勒非線(xiàn)性彈性模型是模型中較為簡(jiǎn)單的一種，模型參數容易由常規三軸試驗確定。內勒(Naylor)認為土的切線(xiàn)體積變形模量隨側限壓力的增加而增加，土的切線(xiàn)剪切模量隨剪應力的`增加而減小，在破壞時(shí)變?yōu)榱�。因此切線(xiàn)體積變形模量為切線(xiàn)剪切模量為內勒非線(xiàn)性彈性模型在面板壩有限元分析中較少采用。
2.2彈塑性模型[4]
彈塑性模型把總的變形分成彈性變形和塑性變形兩部分，前者用虎克定律計算，后者用塑性理論求解。南京水科院1987年提出了用于堆石體的雙屈服面彈塑性模型，一般稱(chēng)為南水模型。該模型可以反映應力引起的各向異性和堆石的剪縮特性，在理論方面有其優(yōu)越性。但限于試驗設備，該模型中某些參數如、、較難從試驗中得到,因此尚未進(jìn)入工程實(shí)用階段。
3.非線(xiàn)性有限元求解方法[1][6]
一般來(lái)說(shuō)，求解方法有迭代法和增量法兩種，較為常用的是增量法。用增量法計算時(shí)，荷載逐級遞增，可以模擬施工過(guò)程，計算結果也符合觀(guān)測結果。以鄧肯模型為例，假設現進(jìn)行第級加荷計算，按中點(diǎn)增量法其計算步驟如下：
[1]根據前一級應力全量確定彈性常數和，并形成剛度矩陣；
[2]加本級荷載增量的一半于結構，用下式求位移增量：
并計算應力和應變增量，進(jìn)而累計求得應力全量，據此計算；
[3]施加全荷，求位移增量：
相應地可求出應力應變增量，累計則可得位移和應力應變全量；
重復上述步驟，可得各級荷載增量下的解答。
還有一個(gè)問(wèn)題，即新填筑層各單元初始應力狀態(tài)是，如果以此計算，則切線(xiàn)彈模，就無(wú)法進(jìn)行計算�？死�(Clough)等人將新填土層視為重液體處理，即(為單元形心距土表的距離，為填土容重)。目前較為常用的處理方法式計算是引入側壓力系數，即。事實(shí)上，新填土層經(jīng)過(guò)反復碾壓，可視為超固結土，可取前期預固壓力(視碾壓輕重可取MPa)。
4．算例
天生橋一級面板堆石壩位于紅水河上游南盤(pán)江干流，壩高178m，上游壩坡
1∶1.4,下游壩坡1∶1.29。按平面應變問(wèn)題計算。
4.1單元剖分和計算參數
面板頂厚0.3，底厚為0.9m，沿面板厚度方向剖分一層單元，沿壩高分20層，共剖分500個(gè)單元，1486個(gè)節點(diǎn)。其中堆石單元459個(gè)，面板單元20個(gè)，接觸面單元20個(gè)，趾板單元1個(gè)。單元形態(tài)為等參元計算采用中點(diǎn)增量法，按20級加荷方式進(jìn)行，每級荷載又分三次施加。這樣相當于按60級加荷計算，但又比剖分60層的情況節省計算時(shí)間。
混凝土面板和趾板采用線(xiàn)彈性模型，=18000MPa，=0.167。
堆石各分區對應于模型的計算參數見(jiàn)表1。
4.2計算成果
從面板壩有限元的計算結果來(lái)看，依據不同模型所得的應力結果是比較一致的，不同之處在于位移的大小和分布。而實(shí)際工程中，設計人員也更關(guān)心位移的大小和分布。
圖2和圖3分別為竣工時(shí)鉛直和水平位移等值線(xiàn)圖。最大鉛直位移為2.35m，約位于1/2壩高處；最大水平位移：上游為0.58m，下游為1.03m，參見(jiàn)圖2。
5.計算結果和實(shí)測值的比較分析
除本文算例的計算結果外，還將引用文獻[3]和文獻[4]對天生橋一級面板壩的計算結果，來(lái)主要說(shuō)明鄧肯模型和彈塑性模型在計算結果上的差異。
天生橋一級面板壩壩體變形觀(guān)測，沉降觀(guān)測結果規律性強，十分可信；水平位移的觀(guān)測結果，國內外專(zhuān)家尚有不同看法。因此，下文主要針對鉛直位移進(jìn)行討論。
表2天生橋一級面板壩有限元位移計算結果
竣工時(shí)最大鉛直位移的觀(guān)測值為3.06m，約為壩高的1.72%，是同類(lèi)型壩中沉降量較大的。從數值上看，鄧肯模型計算的最大鉛值位移在2.3m左右，和南水模型的計算結果1.34m相比，和實(shí)測值較為接近，但仍相差0.76m，究其原因，一是計算不能考慮實(shí)際施工狀況對沉降的影響，二是按鄧肯模型計算時(shí)沒(méi)有考慮堆石體流變引起的沉降。
南水模型由于可以考慮堆石體的剪縮特性，計算的鉛值和水平位移都較小。
雖然無(wú)可靠的實(shí)測水平位移以資比較，一般認為依據南水模型計算的水平位移較為可靠,而鄧肯模型計算的水平位移一般偏大。另外，依據南水模型計算的位移的分布規律較模型更符合實(shí)際觀(guān)測[3][4]。
雖然設計面板壩時(shí)更關(guān)心面板、周邊縫、伸縮縫，止水的變位與位移，但基本變位是堆石體的變位，它對其他構件的變位有重大的影響。因此以堆石體變位來(lái)評價(jià)模型應該是較為合適的。通過(guò)以上的分析可知，兩個(gè)模型都存在不足之處，面板壩有限元分析還有待深入研究。
6面板壩有限元分析的展望[2]
a.今后一段時(shí)間內，簡(jiǎn)單實(shí)用、概念明確的模型仍占主導地位。而計算結果在多大程度上和實(shí)際相符，不僅取決于模型本身，也取決于模型參數測定的準確程度。以模型為例，該模型涉及七個(gè)參數，任何參數偏離都會(huì )造成計算結果的變動(dòng)。鑒于此，有必要在參數測定方面作深入研究，研制新的大型三軸試驗儀，發(fā)展原位試驗技術(shù)等。
b.應該承認，現存的本構關(guān)系在描述堆石體真實(shí)特性的準確性和完整性方面是遠遠不夠。無(wú)論是非線(xiàn)性模型還是彈塑性模型，都是在連續性假設基礎上從宏觀(guān)的唯象的角度描述堆石材料的應力應變關(guān)系。實(shí)際上，堆石體可被視為多種材料組成的多孔介質(zhì)，不連續性為其主要特征。因此，要深刻揭示堆石體的應力應變規律，就必然要開(kāi)展堆石材料的微觀(guān)研究，并力圖在微觀(guān)研究的基礎上，結合新理論，提出新模型。
c.面板壩從勘測、設計、試驗研究到施工的各個(gè)階段無(wú)不存在許多不確定性因素，因此，計算結果和觀(guān)測值完全相符幾乎是不可能的。但是如果在計算中考慮到不確定因素的影響，則會(huì )有效改善計算結果�？紤]不確定因素基本上有兩種方法：一是采用隨機有限元，一時(shí)采用模糊有限元。對于壩工而言，要準確得到不確定量的隨機分布是十分困難的。因此，建議將不確定量按模糊量處理，采用模糊有限元作分析計算，計算結果仍為模糊量，這也符合一般的工程經(jīng)驗。
d.采用新的數值計算方法如離散元法、流形元法。
參考文獻
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