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定向爆破堆石坝应力变形特性研究

黄志鸿 杨杰 程琳 孙晓宁 马春辉

黄志鸿,杨杰,程琳,等. 定向爆破堆石坝应力变形特性研究[J]. 水利水运工程学报,2020(5):1-10 doi:  10.12170/20190930001
引用本文: 黄志鸿,杨杰,程琳,等. 定向爆破堆石坝应力变形特性研究[J]. 水利水运工程学报,2020(5):1-10 doi:  10.12170/20190930001
(HUANG Zhihong, YANG Jie, CHENG Lin, et al. Stress-deformation behavior of a blast-fill dam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(5): 1-10. (in Chinese)) doi:  10.12170/20190930001
Citation: (HUANG Zhihong, YANG Jie, CHENG Lin, et al. Stress-deformation behavior of a blast-fill dam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(5): 1-10. (in Chinese)) doi:  10.12170/20190930001

定向爆破堆石坝应力变形特性研究

doi: 10.12170/20190930001
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(51809212);陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2018JZ5010);陕西省水利科技计划项目(2018SLKJ-5)
详细信息
    作者简介:

    黄志鸿(1994—),男,福建宁德人,硕士研究生,主要从事水工结构数值仿真方面的研究。E-mail:ihuangzhihong@163.com

    通讯作者:

    杨 杰(E-mail:yjie9955@126.com

  • 中图分类号: TV641.5

Stress-deformation behavior of a blast-fill dam

  • 摘要: 结合实测数据与数值模拟方法对某定向爆破堆石坝体结构在不同阶段的应力变形特性进行了分析,探讨定向爆破堆石坝的应力变形规律,并重点讨论了爆破堆石体和防渗结构的力学行为。对比分析表明:不同于常规坝体的最大沉降位于坝体2/3部位,爆破堆石最大沉降发生在爆破堆石体顶部,爆破堆石及坡积物的可压缩性是其产生较大沉降的主要原因。在此基础上,分析了爆破堆石体沉降对防渗结构应力变形的影响。结果表明:由于筑坝材料组成复杂、力学特性相差较大,导致大坝局部出现一定的不均匀沉降。700 m平台以下的反弧处出现较大的变形和应力,对沥青混凝土防渗斜墙变形造成较大影响。此外,库水位的抬升使沥青混凝土斜墙的应力和变形规律发生了较大变化,防渗体应力和变形明显增加。研究得出的定向爆破堆石坝的应力变形规律,较为全面、真实地反映了定向爆破堆石坝的爆破堆石体、坝体及防渗体的运行性态,同时也对高面板堆石坝、软岩筑坝、弃渣坝、滑坡及堰塞体等大变形结构体的安全性态研究具有一定的参考价值。
  • 图  1  某定向爆破堆石坝横剖面示意(单位: m)

    Figure  1.  Cross section of a blast-fill dam(unit:m)

    图  2  大坝沉降监测点布置

    Figure  2.  Layout of monitoring points

    图  3  三维有限元计算模型

    Figure  3.  Finite element meshing model

    图  4  爆破完成后0+200横断面爆破堆石体的位移等值线(单位:m)

    Figure  4.  Deformation contour map of cross section 0+200 after blasting (unit: m)

    图  5  爆破完成后0+200横断面爆破堆石体的应力等值线

    Figure  5.  Stress contour map of cross section 0+200 after blasting

    图  6  731.00 m水位下0+200横断面位移等值线(单位:m)

    Figure  6.  Deformation contour map of cross section 0+200 at 731.00 m water level (unit: m)

    图  7  731.00 m水位下0+200横断面最大、最小主应力等值线

    Figure  7.  Stress contour map of cross section 0+200 after blasting

    图  8  731.00 m水位下沥青斜墙竖直位移等值线(单位:m)

    Figure  8.  Deformation contour map of asphalt concrete wall at 731.00 m water level (unit: m)

    图  9  720.00 m水位下沥青斜墙最大主应力及拉应力等值线(单位:MPa)

    Figure  9.  Stress contour map of asphalt concrete wall at 720.00 m water level (unit: MPa)

    图  10  大坝防渗斜墙历年漏水部位平面分布(单位:m)

    Figure  10.  Plan of leakage part of asphalt concrete wall (unit: m)

    表  1  坝体材料的物理力学特性参数

    Table  1.   Parameters of calculation model

    材料$K$${R_{\rm{f}}}$$n$${K_{\rm{b}}}$$m$${K_{{\rm{ur}}}}$${n_{{\rm{ur}}}}$$\varphi $$c$/kPa$\rho $/(g·cm−3
    人工堆石料 500 0.72 0.25 250 0 1 000 0.12 44 0 2.12
    爆破堆石料 700 0.79 0.30 350 0 1 300 0.10 46 0 2.19
    坡积料 104 0.70 0.60 64 0.40 210 0.30 36 0 1.78
    冲积料 450 0.81 0.40 250 0.30 900 0.20 45 0 1.89
    沥青混凝土 317 0.47 0.33 200 0.25 600 0.20 32 0 2.45
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    表  2  爆破完成后典型断面爆破堆石体应力、变形计算值

    Table  2.   Stresses and deformations of blasting rockfills with typical sections after blasting

    典型横断面最大水平位移/m竖直位移/m最大主应力/MPa最小主应力/MPa应力水平
    顺流向逆流向
    0+1500.220.280.630.760.280.35
    0+2000.210.310.780.900.310.31
    0+2500.190.110.600.830.180.19
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    表  3  爆破堆石体不同区域内压缩层厚度及平均压缩模量统计

    Table  3.   Statistic of compression layer thickness and average compression modulus for blasting rockfill

    测点总沉降量/mm爆破堆石体厚/m坡积物厚/m压缩层厚度/m压缩模量/MPa
    范围均值范围均值范围均值范围均值范围均值总平均值
    314~696 509 11.5~33.0 19.7 7.0~26.5 17.6 25.5~43.5 38.2 11.4~53.3 34.8 91.8
    175~410 269 23.0~45.0 33.8 2.0~21.5 13.1 27.0~60.0 48.3 43.5~132.7 96.0
    95~484 291 22.5~43.5 36.7 15.0~23.5 20.9 45.5~66.0 57.6 73.9~227.7 144.6
      注:测点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测点分别位于上游685~695 m高程附近、坝轴线附近及下游685~695 m高程附近。
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    表  4  不同工况下典型断面应力、位移计算值

    Table  4.   Stresses and deformations of blast-fill dam with typical sections

    工况典型横断面最大水平位移/m竖直位移/m最大主应力/MPa最小主应力/MPa应力水平
    顺流向逆流向
    竣工期 0+150 0.40 0.25 0.93 1.22 0.48 0.40
    0+200 0.37 0.41 1.17 1.26 0.50 0.48
    0+250 0.39 0.23 0.71 1.38 0.23 0.43
    蓄水期 0+150 0.40 0.25 0.94 1.27 0.50 0.40
    0+200 0.42 0.39 1.19 1.27 0.48 0.49
    0+250 0.41 0.21 0.72 1.39 0.45 0.42
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    表  5  不同水位下沥青混凝土斜墙应力、位移计算值

    Table  5.   Stresses and deformations of asphalt concrete wall under different water levels

    计算
    水位/m
    水平位移
    极值/m
    竖直位移
    极值/m
    最大
    主应力/MPa
    最小
    主应力/MPa
    700.00 0.101 0.406 0.36 0.16
    720.00 0.482 0.830 1.11 0.65
    731.00 0.677 1.050 1.93 1.27
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-30
  • 网络出版日期:  2020-09-15

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