地基水荷载对混凝土坝位移影响研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com第1期水利水运工程学报N0．120l0年3月HYDRO-SCIENCEANDENGINEERINGMar．2010地基水荷载对混凝土坝位移影响研究黄耀英，沈振中，田斌，周宜红(1．三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002；2河海大学水利水电工程学院，江苏南京210098)摘要：分析了地基变形模量随深度逐渐增加、渗透系数随深度逐渐减小、坝基渗透系数各向异性、坝踵设置帷幕排水，以及考虑渗流场和应力场耦合等对混凝土坝位移分量的影响，得出如下结论：作用在地基上的水荷载，使混凝土坝坝顶相对参考基点(倒垂锚固点或坝踵正下方

2、l倍坝高处)的水平位移指向上游，而参考基点的水平位移随地基截取范围的增大而增大．由于大坝工程上常将倒垂线锚固在岩基深处，并认为该倒垂线测值为绝对位移．当考虑作用在地基上的水荷载时，将倒垂线测值作为绝对位移的认识存在局限性．为了获得精度良好的参数反演值，必须考虑参考基点的位移，应采用大坝有限元数值计算的坝体位移和基点位移的相对值，联合实测位移分离出的水压分量进行参数反分析．关键词：混凝土坝；水荷载；位移分量；反分析中图分类号：TV642文献标识码：A文章编号：1009—64ox(2olo)ol一0042—08在水荷载作用下，混凝土大坝任一监测点产生的水

3、平位移由三部分组成’：①水压力作用在坝体上产生的内力使坝体变形而引起的位移；②在建基面上产生的内力使地基变形而引起的位移；③库水荷载作用使库盘变形所引起的位移．目前工程上多假设地基不透水，上游库水荷载作为面荷载作用在地基表面¨J，由于实际地基是透水性材料，大坝建成蓄水一段时间，在地基内将形成渗流场，上游库水对地基变形的影响应按渗流体积力(或称渗流体荷载)进行分析．张有天、王媛等认为混凝土坝虽然透水，但因其渗透系数很小，水力梯度非常大，通常近似按不透水介质处理，此时坝体上游面作用水压力(面荷载)，坝基面作用扬压力(面荷载)，而作用在地基上的水荷载一般按

4、渗流体荷载考虑．由于大坝和岩基工作条件复杂，难以准确给定荷载及计算参数．实际大坝工程上常采用原型监测资料来反分析大坝和岩基的实际运行状态．当采用大坝安全监控中混合模型⋯的调整系数来反演坝体混凝土弹性模量及岩基变形模量时，反演的精度与水荷载施加的合理性关系较大．另外，基于实测位移分离出的水压分量，联合大坝有限元正分析，采用优化反分析方法进行参数反演时，同样存在水荷载施加合理性的问题．笔者采用同一均质各向同性地基有限元模型，基于等效连续介质模型，对比分析了作用在地基上的水荷载作为面荷载和作为渗流体荷载引起的地基变形，得到结论：作用在地基上的水荷载作为面荷

5、载P和作为渗流体荷载／=存在等效关系iPf：f+fi+厂ds，其中L为流线路径，但该水荷载分别作为面荷载和渗流J体荷载引起的地基变形差异很大．换句话说，作用在地基上的水荷载总的作用力等效，但并不一定引起相近的效应量(位移、应力等)．笔者分析还表明，作用在地基上的水荷载引起坝体的水平位移随着地基截取范围的增大而增大，而且参考基点(例如倒垂在岩基内的锚固点或坝踵正下方1倍坝高处)的位移也随地基截取范围的增大而增大．收稿日期：2009—02—12基金项目：国家自然科学基金资助项目(50679036)，三峡大学基金资助项目(2008A007，2008B041

6、)作者简介：黄耀英(1977～)，男，湖南郴卅1人，副教授，博士，主要从事大坝安全监控和数值计算方面的教学与科研工作E-mail：huangyaoying@sohu．eom学兔兔www.xuetutu.com第1期黄耀英，等：地基水荷载对混凝土坝位移影响研究43由于实际地基的岩石风化层从上到下一般为：全风化层、强风化层、弱风化层、微风化层、新鲜基岩．地基变形模量一般随深度逐渐增加，而渗透系数则逐渐减小．另外，地基渗透系数存在各向异性特性且坝踵区域一般设置帷幕排水等．考虑这些因素后，作用在地基上的水荷载引起混凝土坝位移的特性是否仍然与均质各向同性地基上

7、的混凝土坝的位移特性相同，这个问题为工程界所关注．据此，本文逐一研究这些因素对混凝土坝位移分量的影响．1基本原理1．1渗流场分析理论等效连续介质中的渗流层流运动满足达西定律：=一k·日(1)式中：为渗透流速；为渗透系数；=(，y，z)为渗流场中各点的测压管水头，是压力水头与位置高度之和．如果忽略毛细现象、非饱和部分和蒸发的影响，将达西定律代人渗流连续性方程，可得到不可压缩流体在不可压缩等效连续介质中的稳定渗流基本微分方程：·(

8、j2·H)=0(2)根据变分不等式原理，将描述渗流饱和区渗流运动的(2)式延拓至整个计算域，可推导得KH=F(3)式中：K为

9、总渗流矩阵；日为节点水头矩阵；F为节点流量列阵．1．2渗流力分析理论通过上述渗流分析可得到各节点的水头值，则