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河谷宽高比对高心墙坝黏土垫层剪切强度的影响

全锡志 陈鸿杰 黄文雄

全锡志, 陈鸿杰, 黄文雄. 河谷宽高比对高心墙坝黏土垫层剪切强度的影响[J]. 水利水运工程学报, 2018, (3): 103-112. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.03.014
引用本文: 全锡志, 陈鸿杰, 黄文雄. 河谷宽高比对高心墙坝黏土垫层剪切强度的影响[J]. 水利水运工程学报, 2018, (3): 103-112. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.03.014
QUAN Xizhi, CHEN Hongjie, HUANG Wenxiong. Effects of width-height ratio of river valley on shear strength of clay layer in high core rockfill dams[J]. Hydro-Science and Engineering, 2018, (3): 103-112. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.03.014
Citation: QUAN Xizhi, CHEN Hongjie, HUANG Wenxiong. Effects of width-height ratio of river valley on shear strength of clay layer in high core rockfill dams[J]. Hydro-Science and Engineering, 2018, (3): 103-112. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.03.014

河谷宽高比对高心墙坝黏土垫层剪切强度的影响

doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.03.014
详细信息
    作者简介:

    全锡志(1991—), 男, 广东湛江人, 硕士研究生, 主要从事计算力学与岩土工程仿真研究。E-mail:xzquan280@qq.com

    通讯作者:

    黄文雄(E-mail:wh670@hhu.edu.cn)

  • 中图分类号: TV641.4

Effects of width-height ratio of river valley on shear strength of clay layer in high core rockfill dams

  • 摘要: 掺砾黏土高心墙堆石坝需要在心墙与坝基面接触部位设置纯黏土垫层, 以探讨心墙与坝基接触面处的应力状态和黏土垫层的剪切强度。三维有限元数值分析主要考虑了河谷宽高比的影响, 经计算得到心墙与坝基接触面处的应力分布, 并按莫尔-库伦强度准则评估黏土垫层的抗剪强度。结果表明, 心墙与岸坡接触面上剪应力和正应力大小随着坝高变化明显。正应力自坝顶向下大致呈线性增大, 在接近坝底附近达到最大值; 剪应力自坝顶向下先增后减, 最大值发生在坝底向上约1/5坝高处, 当岸坡角为45°左右时其值最大。根据抗剪强度准则, 心墙底面黏土垫层不会发生剪切破坏; 岸坡面中上部强度较低, 当岸坡角达到或超过45°时, 上部黏土垫层会发生剪切破坏。与对称河谷模型相比, 实际工程模型左岸岸坡中下部黏土垫层偏安全, 中上部以及右岸抗剪强度系数相近。据此, 给出了岸坡角45°临界值, 在岸坡坡角达到或超过45°的狭窄河谷中修建高心墙堆石坝时, 建议采取工程措施防止黏土垫层在相应部位发生大剪切变形以及剪切破坏。
  • 图  1  堆石坝典型横剖面(单位:m)

    Figure  1.  Typical cross-section of rockfill dam (unit:m)

    图  2  不同河谷宽高比计算方案示意(单位:m)

    Figure  2.  Schematic diagram of calculation schemes with different width-height ratios (unit:m)

    图  3  心墙底面剪应力沿坝轴线的分布

    Figure  3.  Distribution of axial shear stress at bottom of core wall

    图  4  心墙底面正应力沿坝轴线的分布

    Figure  4.  Distribution of axial normal stress at bottom of core wall

    图  5  顺河向剪应力随距离的分布

    Figure  5.  Distribution of downstream shear stress along with thickness of core wall

    图  6  顺河向正应力随距离的分布

    Figure  6.  Distribution of downstream normal stress along with thickness of core wall

    图  7  岸坡向剪应力分量沿高程分布

    Figure  7.  Distribution of slope-direction shear stress along with elevation

    图  8  顺河向剪应力分量沿高程分布

    Figure  8.  Distribution of downstream shear stress along with elevation

    图  9  1 306 m高程岸坡向剪应力分量沿心墙厚度的变化

    Figure  9.  Distribution of slope-direction shear stress along with thickness of core wall (1 306 m)

    图  10  1 306 m高程河流向剪应力分量沿心墙厚度的分布

    Figure  10.  Distribution of downstream shear stress along with thickness of core wall (1 306 m)

    图  11  心墙岸坡中心线上总剪应力随高程的分布

    Figure  11.  Distribution of total shear stress along with elevation on centerline of bank slope

    图  12  心墙岸坡中心线上正应力随高程的分布

    Figure  12.  Distribution of normal stress along with elevation on centerline of bank slope

    图  13  1 306 m高程总剪应力沿心墙厚度的分布

    Figure  13.  Distribution of total shear stress along with thickness of core wall (1 306 m)

    图  14  1 306 m高程正应力沿心墙厚度的分布

    Figure  14.  Distribution of normal stress along with thickness of core wall (1 306 m)

    图  15  总剪应力与岸坡坡角的关系

    Figure  15.  Relationship between total shear stress and angle of slope

    图  16  三向应力状态应力圆

    Figure  16.  Stress circle of three dimensional stress state

    图  17  黏土料排水三轴剪强度包络

    Figure  17.  Drainage triaxial shear strength envelope of clay material

    图  18  R与高程之间的关系

    Figure  18.  Relationship curves between R and elevation

    图  19  1 358 m高程R沿心墙厚度的分布

    Figure  19.  Distribution of R along with thickness of core wall (1 358 m)

    表  1  有限元数值计算方案

    Table  1.   Computation cases for numerical analysis

    计算方案 河谷宽高比 岸坡角 岸坡坡度
    方案1 5.523 23.71° 1:2.277
    方案2 4.431 30.00° 1:1.731
    方案3 3.338 40.17° 1:1.185
    方案4 2.646 50.00° 1:0.838
    方案5 2.123 60.00° 1:0.577
    方案6 -左岸 4.431 23.71° 1:2.277
    -右岸 40.17° 1:1.185
    方案7 平面应变
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    表  2  主堆石料邓肯-张E-B模型参数

    Table  2.   Duncan-Chang E-B model parameters of main rockfill materials

    材料 K n Rf c/kPa φ0 Δφ0 Kb m Kur Pa/kPa ρ/(g·cm-3)
    掺砾黏土心墙 631 0.17 0.63 104 42 15.6 602 0.21 1 211 100 1.89
    上游堆石料 1 465 0.19 0.79 97 49 9.7 805 0.03 2 397 100 2.18
    下游堆石料 1 446 0.14 0.81 98 48 8.7 776 0.09 2 385 100 2.18
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  • [1] 沈珠江.土石坝应力应变分析中的若干问题[J].水力发电学报, 1985(2):12- 21. https://www.wenkuxiazai.com/doc/a7bee7c06137ee06eff918b2.html

    SHEN Zhujiang.Some considerations on stress-strain analysis of earth and rockfill dams[J].Journal of Hydroelectric Engineering, 1985(2):12- 21.(in Chinese) https://www.wenkuxiazai.com/doc/a7bee7c06137ee06eff918b2.html
    [2] 宋文晶, 高莲士.窄陡河谷面板堆石坝坝肩摩擦接触问题研究[J].水利学报, 2005, 36(7):793- 798. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-IGST201001001015.htm

    SONG Wenjing, GAO Lianshi.Frictional contact between abutment and CFRD in deep narrow valley[J].Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 36(7):793- 798.(in Chinese) http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-IGST201001001015.htm
    [3] MIDDLEBROOKS T A. Fort peck slide[R]. Proc. of ASCE, 1940.
    [4] STROMAN W R, BEENE R W, HULL A M. Clay shale foundation slide at Waco Dam[C]//Proc. of Int. Conf. on Case History in Geotechnical Engineering, 1984(2): 579- 586.
    [5] ROSCOE K H.The influence of strains in soil mechanics[J].Géotechnique, 1970, 20(2):129- 170. doi:  10.1680/geot.1970.20.2.129
    [6] KISHIDA H, UESUGI M.Tests of the interface between sand and steel in the simple shear apparatus[J].Journal of the Physical Society of Japan, 1987, 7(1):102- 106. doi:  10.1680/geot.1987.37.1.45
    [7] 钱亚俊, 陈生水.心墙坝应力变形数值模拟结果验证[J].水利水运工程学报, 2005(4):11- 18. http://slsygcxb.cnjournals.org/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20050447&flag=1

    QIAN Yajun, CHEN Shengshui.Verification of numerical simulation results of stress and deformation of core walled dams[J].Hydro-Science and Engineering, 2005(4):11- 18.(in Chinese) http://slsygcxb.cnjournals.org/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20050447&flag=1
    [8] 李国英, 王禄仕, 米占宽, 等.土质心墙堆石坝应力和变形研究[J].岩石力学与工程学报, 2004, 23(8):1363- 1369. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yslxygcxb200408025

    LI Guoying, WANG Lushi, MI Zhankuan, et al.Research on stress-strain behaviour of soil core rockfill dam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(8):1363- 1369.(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yslxygcxb200408025
    [9] 张连卫, 侯文峻, 张建民, 等. 高心墙堆石坝非线性有限元应力变形分析[C]//第二届全国岩土与工程学术大会论文集. 北京: 科学出版社, 2006: 363- 368.

    ZHANG Lianwei, HOU Wenjun, ZHANG Jianmin, et al. Nonlinear FEA of high core wall rcokfill dam[C]//Proceedings of the Second National Conference on Geotechnical and Engineering. Beijing: Science Press, 2006: 363- 368. (in Chinese)
    [10] 党发宁, 杨超, 薛海斌, 等.河谷形状对面板堆石坝变形特性的影响研究[J].水利学报, 2014, 45(4):435- 442. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y2347128

    DANG Faning, YANG Chao, XUE Haibin, et al. The effect of valley topography on deformation properties of CFRD[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(4):435- 442.(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y2347128
    [11] 杨超, 党发宁, 薛海斌, 等.河谷形状对沥青混凝土心墙坝变形特性的影响[J].水利水运工程学报, 2016(4):54- 62. http://slsygcxb.cnjournals.org/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=201604008&flag=1

    YANG Chao, DANG Faning, XUE Haibin, et al.Influences of valley topography on deformation properties of asphalt concrete core wall dam[J].Hydro-Science and Engineering, 2016(4):54- 62.(in Chinese) http://slsygcxb.cnjournals.org/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=201604008&flag=1
    [12] 袁艳玲, 郭琴琴, 周正军, 等.考虑参数相关的高心墙堆石坝材料参数反分析[J].岩土力学, 2017, 38(增刊1):463- 470. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=slfdxb201205033

    YUAN Yanling, GUO Qinqin, ZHOU Zhengjun, et al.Back analysis of material parameters of high core rockfill dam considering parameters correlation[J].Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(Suppl1):463- 470.(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=slfdxb201205033
    [13] DUNCAN J M, CHANG C Y.Nonlinear analysis of stress and strain in soils[J].Soil Mechanics & Foundation Division Journal, 1970, 96(5):1629- 1653. https://trid.trb.org/view.aspx?id=127650
    [14] DUNCAN J M, WONG K S, MABRY P. Strength, stress-strain and bulk Modulus parameters for finite element analyses of stresses and movements in soil masses[R]. Report No. UCB/GT/80- 01, 1980.
    [15] 李广信.高等土力学[M].2版.北京:清华大学出版社, 2005:62- 68.

    LI Guangxin.Advanced soil mechanics[M].2nd ed.Beijing:Tsinghua University Press, 2005:62- 68.(in Chinese)
    [16] 纪亮, 张建海, 何昌荣, 等.双江口心墙堆石坝坝体变形和应力对材料的参数敏感性分析[J].水力发电学报, 2010, 29(3):159- 163, 183. http://www.cqvip.com/QK/97920X/2010003/34223318.html

    JI Liang, ZHANG Jianhai, HE Changrong, et al.Sensibility analysis of stress and deformation of Shuangjiangkou high core-walled rock-fill dam[J].Journal of Hydroelectric Engineering, 2010, 29(3):159- 163, 183.(in Chinese) http://www.cqvip.com/QK/97920X/2010003/34223318.html
    [17] 熊堃, 何蕴龙, 伍小玉, 等.长河坝坝基廊道应力变形特性研究[J].岩土工程学报, 2011, 33(11):1767- 1774. https://www.wenkuxiazai.com/doc/3c377757a32d7375a417807d-2.html

    XIONG Kun, HE Yunlong, WU Xiaoyu, et al.Stress and deformation behavior of foundation gallery of Changheba hydropower station[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(11):1767- 1774.(in Chinese) https://www.wenkuxiazai.com/doc/3c377757a32d7375a417807d-2.html
    [18] 田玉梅, 贾杰, 刘景学, 等.材料力学[M].北京:清华大学出版社, 2013:153- 166.

    TIAN Yumei, JIA Jie, LIU Jingxue, et al.Mechanics of materials[M].Beijing:Tsinghua University Press, 2013:153- 166.(in Chinese)
    [19] 李登华. 面板堆石坝接触面试验研究和本构模型的建立[D]. 南京: 南京水利科学研究院, 2009: 35- 50.

    LI Denghua. Experimental study on interface of CFRD and establishment of constitutive model[D]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2009: 35- 50. (in Chinese)
    [20] HUANG W, BAUER E, SLOAN S W.Behaviour of interfacial layer along a soil- structure interface[J].Struct Eng & Mech, 2003, 15(3):315- 329. https://www.newcastle.edu.au/__data/assets/pdf_file/0019/22591/58_Behaviour-of-interfacial-layer-along-a-soil-structure-interface.pdf
    [21] 王伟. 基于能量耗散原理的土与结构接触面模型研究及应用[D]. 南京: 河海大学, 2006: 16- 31.

    WANG Wei. Study on soil-structure interface model based on potential energy dissipating principle and its application[D]. Nanjing: Hohai University, 2006: 16- 31. (in Chinese)
  • [1] 南亚林, 郭鸿, 陈栋梁, 陈文涛.  自然氧化弱膨胀土的剪切破坏特征试验研究 . 水利水运工程学报, 2022, (4): 97-105. doi: 10.12170/20210624001
    [2] 丁玉堂, 周王俊, 陈章仑, 陈洪丰, 王超逸, 陆阳洋.  面板堆石坝长效服役状态下微幅变形监测及其分析 . 水利水运工程学报, 2022, (3): 74-81. doi: 10.12170/20210523001
    [3] 贺林林, 周莉, 梁越.  水位骤降影响下岸坡稳定性简化分析 . 水利水运工程学报, 2021, (3): 16-24. doi: 10.12170/20200524001
    [4] 黄志鸿, 杨杰, 程琳, 孙晓宁, 马春辉.  定向爆破堆石坝应力变形特性研究 . 水利水运工程学报, 2020, (5): 86-95. doi: 10.12170/20190930001
    [5] 李国英, 韩朝军, 魏匡民, 米占宽.  考虑坝体-地基接触效应的特高心墙堆石坝结构安全性研究 . 水利水运工程学报, 2019, (6): 107-115. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.06.012
    [6] 王玉孝, 沈婷, 李国英.  组合型混凝土面板堆石坝应力应变特性分析 . 水利水运工程学报, 2018, (5): 56-62. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.05.008
    [7] 赵联桢, 陈生水, 杨东全, 钟启明, 张宏斌.  冻砂土⁃结构接触面恒温循环剪切性能研究 . 水利水运工程学报, 2016, (1): 93-99.
    [8] 胡骏峰.  击实黏土剪切断裂韧度的试验研究 . 水利水运工程学报, 2015, (4): 56-60.
    [9] 陈 飘, 邓成发, 刘正国.  中厚覆盖层上中低面板堆石坝应力变形分析 . 水利水运工程学报, 2014, (5): 75-80.
    [10] 蔡云鹏, 田 英, 汤徐敏.  接触面抗剪断强度离散性对重力坝稳定的影响 . 水利水运工程学报, 2013, (6): 21-28.
    [11] 蒋承杰, 苏志敏, 李忠, 王锋, 江念红.  材料置换法改善拱坝应力集中的数值模拟 . 水利水运工程学报, 2013, (4): 73-77.
    [12] 李国英,沈婷,赵魁芝.  高心墙堆石坝地震动力特性及抗震极限分析 . 水利水运工程学报, 2010, (1): -.
    [13] 李苏春,蒋刚,雷秋生.  粘性土剪切带与屈服应力的探讨 . 水利水运工程学报, 2008, (2): -.
    [14] 王海俊,殷宗泽.  荷载作用堆石流变特性试验研究 . 水利水运工程学报, 2008, (2): -.
    [15] 施维成,朱俊高.  双屈服面模型参数对心墙堆石坝计算沉降的影响 . 水利水运工程学报, 2007, (3): 12-16.
    [16] 钱亚俊,陈生水.  心墙坝应力变形数值模拟结果验证 . 水利水运工程学报, 2005, (4): 11-18.
    [17] 曹水明,丁君松,黄景瑗.  比尺模型上床面切应力研究及应用 . 水利水运工程学报, 1996, (2): -.
    [18] 陶同康,李定方,鄢俊.  复合土工薄膜心墙坝渗流场与应力场的耦合计算 . 水利水运工程学报, 1995, (4): -.
    [19] 陈生水,郦能惠.  瀑布沟心墙堆石坝地震裂缝分析 . 水利水运工程学报, 1995, (4): -.
    [20] 沈珠江,张文茜.  小浪底水库斜墙堆石坝有效应力应变分析 . 水利水运工程学报, 1991, (4): -.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-08-26
  • 刊出日期:  2018-06-01

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