深厚覆蓋層面板堆石壩應力變形有限元分析

陳文元

(青海省水利水電勘測設計研究院，青海 西寧 810000)

1 概述

混凝土面板堆石壩(Concrete Face Rock-fill Dam)最初發源于美國，至今有100多年歷史[1]。由于其適于修建在山谷、對環境的適用性較強、可以就地取材、施工速度也比較快等優點被廣泛應用。

在實際運行中壩體和面板的安全運行問題一直是研究的重點[2]，在高寒高海地區體現的尤為明顯。我們國家對面板堆石壩的研究起步較晚，但是進步特別快[3- 4]。在實際運行中，大壩的安全和穩定受眾多因素影響，不同的學者進行了相關的研究[5]。不同地勢的壓力不同，對壩體和面板產生的影響也會不同，同樣覆蓋層對于大壩的面板和壩體也會有一定的影響[6]。溫度也是大壩一個很重要的影響因素[7- 8]，高寒地區的溫度變化對大壩的安全運行影響很大。

本文主要針對高寒高海拔地區，采用ANSYS對深覆蓋層面板堆石壩在正常蓄水運行期內的不同部位的應力變形特性進行研究。

2 模型建立

以某高寒高海拔地區的水庫為工程背景進行研究。水庫主要建筑物由擋水大壩、導流洞、泄洪洞、放水洞等組成。壩頂高程為2941.62m，正常蓄水位為2938.98m，總庫容為1.1×107m3，壩趾兩側呈現“V”字形。正常蓄水期是壩體承受的荷載主要為自重和水壓力。

在進行有限元計算時需要進行本構模型的選擇，目前常見比較可靠的模型有Duncan Chang的雙曲線模型及E-B模型、非線性耦合K-G模型、以及改進的Naylor K-G模型等，本文碎石采用Duncan Chang的E-B模型。混凝土面板采用比較成熟的線彈性模型[9- 10]。對于壩體面板和上面的碎石之間的接觸面采用抗剪薄面，采用雙曲線模型。

ANSYS作為廣泛使用的有限元軟件，可以很好的滿足我們的需求。荷載在計算過程中采用逐級施加的原則。坐標系采用常見的笛卡爾坐標系，順水流向為X方向；垂直方面方位Y方向；順著壩軸線方向為Z方向。壩體的不同區域材料不同進行對應的設置，具體參數見表1。水容重大小是按照9.81kN/m3來設置，混凝土自重為25kN/m3。

在接觸面采用面-面分析，使用Conta174單元，對于混凝土采用Solids 64單元，采用SWEEP掃略法以面板為初始斷面進行劃分，模型總體單元數為32656個，節點數為33692個。為方便計算選取基巖高度為一倍的壩高。在計算之前進行邊界條件的

表1 材料參數

設置，在基巖底部設置為全約束，壩體與兩岸的接觸部位設置水平方向的約束，在豎直方向不對設置，這樣更符合實際運行。大壩有限元模型如圖1所示。為了更細致的研究壩體的應力變形，對壩體進行剖分選取典型斷面如圖2所示，典型斷面橫剖面圖如圖3所示。

圖1 大壩有限元模型

圖2 大壩典型斷面位置圖

圖3 典型斷面橫剖面圖

3 應力變形分析

3.1 壩體應力分析

對正常蓄水期壩體不同位置典型斷面的第一主應力和第三主應力進行分析，如圖4—5所示。

從圖4可知，拉應力主要分布在壩體上側，隨著高程的降低逐漸變化為壓應力，且壓應力逐漸增大。第一主應力最大值主要出現在上游壩體與覆蓋層接觸的壩頂附近。在壩體不同剖面上第一主應力分布基本相似，但是第一主應力最大值存在區別，F1、F2、F3三個剖面的最大拉應力分別為0.024、0.023、0.019MPa，最大拉應力均出現在上游壩趾附近。三個剖面的最大壓應力分別為2.21、2.14、1.67MPa，均出現在壩體與基巖基礎的中間位置處。

從圖5可知，第三主應力的應力分布與第一主應力分布類似，隨著高程降低拉應力逐漸減小，壓應力逐漸增大。最大拉應力和最大壓應出現在位置與第一主應力相同。最大壓應力分別為3.68、3.59、2.92MPa。第三主應力總體呈現對稱分布，稍微偏向上游。

圖4 壩體典型斷面第一主應力

圖5 壩體典型斷面第三主應力

圖6 壩體典型斷面縱向位移

圖7 壩體典型斷面垂向位移

3.2 壩體位移分析

壩體縱向位移和垂向位移計算云圖分別如圖6—7所示。

由圖6可知，壩體縱向位移整體上由壩中心位置向兩側大致對稱分布，下游位移大小為正值，向下游移動；上游壩體位移為正值，向上游移動。F1、F2、F3三個剖面上游的最大縱向位移分別為11.6、11.3、8.7cm，出現位置為上游壩踵與基巖交接處正下方35m附近位置處；下游最大縱向位移分別為14.2、13.7、9.7cm，出現在下游壩趾與基巖交接處靠上游30m位置處附近。

由圖7可知，壩體的垂向位移整體是垂直向下移動。壩體最大位移出現在壩體與覆蓋層交接處，F1、F2、F3三個剖面的最大垂向位移分別為：66.1、64.5、48cm。說明最大位移出現在壩體中間位置。

3.3 面板應力分析

面板應力變化云圖如圖8所示，位移變化云圖如圖9所示。

圖8 面板應力分布云圖

由圖8(a)可知，混凝土面板應力分布主要為壓應力，拉應力主要出現在壩頂和岸坡附近。較大壓應力出現在底部，且均在混凝土受壓強度范圍內。拉應力最大值為1.84MPa，也在承受范圍內。根據圖8(b)可知，面板呈現雙向受壓、局部受拉狀態。最大壓應力為14.9MPa，拉應力在混凝土的承受范圍之內。

圖9 面板位移分布云圖

由圖9可知，在正常蓄水運行時，面板縱向位移最大值出現在面板中間位置，出現脫空現象。中間向下游移動，移動位移大小為7.8cm，上下兩側向上游移動，移動位移大小為1.0cm。在垂向上，面板整體垂直向下，最大位移出現在面板中間位置，大小為17.5cm。

4 結論

(1)壩體各部分整體應力分布趨勢一致。由壩體中間位置向兩側最大拉應力逐漸減小，減小幅度為2.5%、20%。最大壓應力向兩側同樣逐漸減小，減小幅度為2.4%、20.7%。

(2)壩體在上游側壩趾附近向上游移動，最大位移出現在壩趾正下方35m處；下游側向下游移動，最大位移出現在壩趾靠上30m位置附近。在垂向上最大位移出現在壩體與堆石交接處。

(3)混凝土面板面板整體呈現受壓狀態，最大拉應力為1.8MPa，滿足抗拉強度需求。面板最大位移出現在面板中心位置附近，容易出現脫空現象。

綜合考慮，建議在高寒高海拔地區加強對面板中心位置的檢測和維護。