土壩浸水變形分析論文

導語：土壩浸水變形分析論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要摘要：基于土壩浸水變形分析的增量有限元法，并結合鄧肯E－B模型，編制了相應的土壩應力及變形有限元計算程序。應用實例的計算結果表明，所采用的增量有限元分析方法是合理的，所得計算結果也是接近實際的。

摘要：浸水變形本構模型增量有限元法

1引言

眾所周知，土壩對水的功能十分敏感，尤其在水庫蓄水初期，土壩會發生某些非凡的變形。比如，水庫初次蓄水期，土壩上游壩殼表面往往產生向上游的位移，這和水壓力功能的方向正好相反，同時還伴隨一定的下沉，而不是想象中的隨浮托力的增大而上抬。大量的探究成果表明，產生這種現象的根本原因就在于壩體土料的浸水變形，或稱濕化變形［1，2］。浸水變形往往使壩頂發生橫向的伸長變位從而引起壩體發生不均勻沉降，甚至導致壩體產生縱向裂縫［1］。因此，如何對初次蓄水期土壩的浸水變形進行準確而合理地分析，在此基

礎上把握其發生和發展的規律，對確保土壩的正常運行具有重要意義。

2浸水變形的分析方法

目前有關浸水變形增量分析方法的探究還不夠深入。但據筆者分析，文獻［2］所建議的一種增量分析方法，即增量有限元法，相對而言還是較為合理的。其基本原理如下摘要：設單元在浸水前的應力狀態為｛σd｝，假定它是由n級應力增量按比例增加達到的，則每級應力增量為式中，剛度矩陣［Dd］是和當前的應力狀態有關的干態非線性彈性或彈塑性矩陣。

將各級增量下的｛Δε｝累加，即得浸水前的總應變｛ε｝。

假定浸水前后應變相同，則浸水后每級的應力增量可按下式計算摘要：

｛Δσw｝＝［Dw］｛Δε｝（3）

式中［Dw］為浸水飽和狀態的剛度矩陣。

將各級增量下的｛Δσ｝累加，即得浸水后的總應力｛σ｝。

按假想約束的思路，可確定由浸水變形產生的“初應力”為

｛Δσ｝＝｛σd｝－｛σw｝（4）

然后，將此假想的“初應力”約束釋放，轉化為等效結點荷載，即

式中，［B］為單元幾何矩陣；負號表示由于浸水變形轉化的等效結點荷載實際上不存在，故需從單元結點荷載中予以扣除。

由等效結點荷載｛F｝，即可求得土體由于浸水變形所引起的附加位移及附加應變。

為簡化計算，可將｛F｝和水壓力或滲透壓力、浮托力等所轉化的結點荷載疊加在一起進行計算。

3應力—應變本構模型

目前，非線性彈性的鄧肯E—B模型是土石壩應力變形計算中最常用的模型［3］。該模型的基本原理如下摘要：

材料的切線模量

4應用實例

某水庫大壩壩型為砂礫石壩殼粘土心墻壩，最大壩高127．5m，壩頂長440m。上游壩坡1∶2．2，下游壩坡1∶1．8。心墻兩側設反濾層，上游側寬3m，下游側寬5m。大壩心墻土料自1999年10月開始填筑，2001年底大壩竣工、水庫開始蓄水。

基于上述的鄧肯E－B本構模型及浸水變形的增量有限元方法，筆者編制了相應的二維有限元計算程序，用此程序對該水庫初次蓄水時的大壩變形進行了有限元計算。計算取用的斷面為大壩設計樁號為0＋226m的最大斷面。計算中模擬逐級加載過程，共采用17個荷載級，其中施工階段壩體填筑分11級，水庫初次蓄水從現有的幾個觀測水位直到正常高水位594．0m，共分6級。計算所用的壩體材料模型參數見表1所列。

心墻在竣工期及和各蓄水位相應的最大豎向變位的計算結果見表2，此表中還同時列出相應的部分豎向變位觀測成果，以資對照。

從圖1、圖2及表2可以看出，隨著水庫蓄水水位的逐漸升高，土體顆粒受到水的潤滑進而產生越來越大的浸水變形，從而使心墻產生越來越大的豎向變位；同時可以看出，計算得到的豎向變位和實測結果較為接近，且二者的變化趨向基本一致。根據位移計算結果，計算得到的豎向位移均是鉛直向下的，這說明浸水變形所引起的下沉功能總大于浮托力所引起的上抬功能。從圖3、圖4及其它蓄水位時的水平位移計算結果可以看出，

上游壩殼土體的水平位移受浸水變形的功能較為明顯，在竣工期及較低蓄水位時，由于無水平推力或水平推力尚小，致使上游壩殼部分單元產生向上游的位移，但隨著蓄水位升高，幾乎全部上游壩殼的單元水平位移又變為向下游的位移。

5結語

本文基于土壩浸水變形分析的增量有限元法，并結合鄧肯E—B模型，編制了相應的土壩應力及變形有限元計算程序。應用實例的計算結果表明，所采用的增量有限元分析方法是合理的，所得計算結果也是接近實際的。顯然，本文有關土壩浸水變形的探究思路和分析方法，對類似工程新問題的探究具有重要的參考價值。

參考文獻

［1］朱百里，沈珠江．計算土力學［M］．上海摘要：上海科學技術出版社，1990．

［2］錢家歡，殷宗澤．土工原理和計算［M］．北京摘要：中國水利水電出版社，2000．

［3］蔣國澄，等．混凝土面板壩工程［M］．武漢摘要：湖北科學技術出版社，1997．