混凝土埋石重力壩深層抗滑有限元模擬研究

劉建祖，余啟飛

(1.江西省宜春市袁州區水務局，江西 宜春 336000； 2.江西水利職業學院，南昌 330013)

0 引 言

本文參考案例混凝土埋石重力壩工程實用技術數據，借助ANSYS專業智能工程有限元模擬系統，重點圍繞溢流段壩體深層穩定抗滑性態，對混凝土埋石重力壩深層抗滑專題開展有限元模擬分析研究，以期為同類工程應用提供研究和技術參考，助力建筑安全穩固的混凝土埋石重力壩工程。

1 案例工程簡介

大灘口水庫是以防洪灌溉為主、兼顧發電和城鄉供水的Ⅲ等中型水利樞紐工程，位處我國江南。設計洪水位618.48 m，核校洪水位620.73 m，常規蓄水位620.00 m，總庫容6 850×104m3，控制流域面積1 330 km2。工程由壩體、泄洪建筑物、引水建筑物等組合構成。壩體為C15重力埋石混凝土壩，頂高622.0 m，最大高程59 m，壩頂寬7 m，長190.0 m。從右到左逆壩軸線依次為右岸非溢流段、廠房壩段、溢流段和左岸非溢流段。溢流前緣凈寬度50 m，堰頂高度608.0 m，溢流段長度74 m。樞紐臨時建筑5級，次要建筑4級，永久性建筑3級。

壩址揭露為侏羅系上統(293sJ～13sJ)遂寧組地層，由黏土巖、細砂巖、巖屑長石砂巖和粉砂巖構成。上游側巖層略傾偏右岸，傾角在5～9°之間。弱風化風化址基巖層厚度多在2～5 m之間，最大厚度8.4 m左右。強風化址基巖層厚度多在1～2 m之間，最大厚度4.5 m左右。

壩基砂巖Ⅱ-Ⅱ′勘測線蝕余河床厚度在8.18～10.65 m之間，Ⅲ3-2夾層存在局部的泥化狀態。Ⅲ-Ⅲ′勘測線下游構成跌坎，存有臨空面，有裂縫順河向發育，穩定抗滑非常不利。基巖體有弱軟夾層存在。

2 有限元數理模型的創建

2.1 范圍及約束條件

模型范圍包括壩身及深淺壩基。系統建模型時，如果壩基范圍寬度不夠，會使運算結果發生較大偏差；而如果在精度提高不大的條件下，過大的取值范圍又會帶來過度耗時及浪費資源的問題。經系統籌劃，本研究計算范圍為壩基取深80 m，自壩址下向取75 m，自壩踵上向側取65 m。

底邊取固定約束，上下側取法向約束，坐標為：壩軸線下游向為X坐標正方向，垂直上向為Y軸正方向，以沿壩軸線取為Z軸正方向。

計算截面及有限元模型具體見圖1和圖2。

圖1 溢流段截面圖

圖2 溢流段有限元網絡圖

2.2 模型及基本材料參數

本文重點探究溢流段的穩定抗滑問題，僅以溢流段為分析對象。由壩身和深淺壩基三部分創建溢流段重力壩穩定抗滑性模型，運用ANSYS專業有限元水工模擬系統，對溢流段開展建模，見圖2。

壩身以ANSYS專業混凝土單元給與離散創建，節點1 468個，總單元987個。

壩基以solidl85實體三維單元給與離散創建，深壩基節點13 968個，總單元10 080個；淺壩基節點2 616個，總單元1 635個。壩體穩定性有限元分析節點17 508個，單元12 702個。選用D-P彈塑屈服準則。模型參數依據案例工程應用參數，并結合模型實際情況確定，主要材料參數具體見表1和表2。

表1 壩身材料參數

表2 基巖設計力學參數表

2.3 計算工況

模擬工況選用核校洪水位、設計洪水位、一般高水位3種工況。

核校洪水位：下游586.99 m，上游620.73 m

設計洪水位：下游584.40 m，上游618.48 m

一般高水位：下游576.00 m，上游620.00 m

模擬載荷包括壩體和滑動面以上的上下游水壓力、揚壓力、巖體自重等，排水幕區域透滲壓力以參數a=0.25折減。

3 模擬計算結果與解析

3.1 響應力與移位解析

本文重點對溢流段實施深層穩定抗滑性探究，參考前述建模，分別對核校洪水位、設計洪水位、一般高水位3種工況實施響應力及移位計算解析。

3.1.1 正常蓄水位工況計算

正常蓄水位計算結果云狀態圖見圖3-圖8。

圖3 取自X方向的移位云狀態圖

圖4 取自Y方向的移位云狀態圖

圖5 總移位云狀態圖

圖6 取自X方向的應力云狀態圖

圖7 取自Y方向的應力云狀態圖

圖8 基于Mises 的應力云狀態圖

1) 正常蓄水位工況移位分析：從圖3可以看出，壩身上游側的X向最大移位為1.5 mm，這緣于上游側靜水壓和上游水體重量大量施加于壩面，在X方向上的分量較大，導致其X向的形變也較大。從圖4可以看出，下向的最大移位出現在下游側壩身，最大移位0.89 mm，出現在反弧段與壩趾結合部位。壩身上游側Y向移位為0.79 mm，略低于下游側壩身的移位。從上至下，Y向移位量漸漸降低，深壩基的移位幾乎為零。從圖5可以看出，在靜水壓、淤泥壓和壩身自重等載荷聯合作用下，壩身整體構造呈下陷的態勢，最大移位出現在壩身上游側，位處堰頂位置，最大移位1.66 mm，方向為下向，淺壩基移位要高于深壩基。

2) 正常蓄水位工況響應力分析：圖6、圖7及圖8分別給出了壩身與壩基在靜水壓、水重、淤沙壓力、揚壓力和壩身自重等聯合作用載荷下整個構造的X方向響應力、Y方向響應力和mises響應力分布云狀態圖。絕大部分區域第一主響應力為壓響應力，所有位置第三主響應力均為壓響應力，溢流段的基礎底部法向響應力均為壓響應力。從圖6可以看出，X向最大響應力為0.51 MPa，發生在壩身上游側底部。從圖7可以看出，Y方向最大響應力發生在壩身上游側底部，為0.36 MPa，屬于局部集中響應力，由于上游水體壓是從上至下漸漸加增，因此底部Y響應力最大。從圖8可以看出，最大mises響應力發生在壩身上游側與淺層基礎結合處，約為0.56 MPa，整個構造沒有發生彈塑性形變。此外，在壩身與淺壩基、淺壩基與深壩基交界處都會發生響應力的梯度演變，這基本是不同材料機能參數差異導致的。

3.1.2 設計洪水位工況計算

設計洪水位云狀態圖見圖9-圖14。

圖9 取自X方向的移位云狀態圖

圖10 取自Y方向的移位云狀態圖

圖11 總移位云狀態圖

圖12 取自X方向的應力云狀態圖

圖13 取自Y方向的應力云狀態圖

圖14 基于Mises 的應力云狀態圖

1) 設計洪水位工況移位解析：由圖9可知，在壩身自重、淤泥壓和靜水壓等載荷共同作用下，構造整體呈下陷態勢，移位最大值出現在壩身上游側，移位量為2.62 mm，淺壩基移位量較深壩基移位量要高。從圖10可知，最大下向移位出現在壩身下游側，移位量為1.08 mm，壩身上游側Y向移位較壩身下游側的移位量略低，移位值為0.24 mm。從上至下，Y向移位量漸次降低，深壩基移位幾乎零值狀態。從圖11可以看出，壩身上游側X向移位最大量為2.6 mm，這緣于上游側水體重量和靜水壓是向壩面垂直施加上的，在X方向上存在較大的分量，致使其X向的形變也較大。

2) 設計洪水位工況響應力分析：圖12、圖13及圖14分別給出了壩身與壩基，壩身在水體自重、壩身自重、揚壓、靜水壓和沙淤壓等聯合載荷作用下的mises響應力Y向響應力和X向響應力云狀態圖。第一主響應力在絕大部分區域均為壓響應力，第三主響應力在所有位置均為壓響應力，溢流段的基礎底部法向響應力均為壓響應力。由圖12可知，最大X向響應力為0.48 MPa，在壩身下游側壩趾及反弧段位置，呈響應力局部集中狀態。由圖13可知，最大Y向響應力為0.43 MPa，發生在壩身下游側壩趾和反弧段位置，呈響應力局部集中狀態。由圖14可知，最大mises響應力約為0.65 MPa，發生在壩身下游側位置，整個構造沒有發生彈塑性形變。而且，在深壩基與淺壩基、淺壩基與壩身的交界部位，均發生了梯度響應力演變，此為不同材料機能差異所導致。

3.1.3 核校洪水位工況計算

核校洪水位計算結果云狀態圖見圖15-圖20。

圖15 取自X方向的移位云狀態圖

圖16 取自Y方向的移位云狀態圖

圖17 總移位云狀態圖

圖18 取自X方向的應力云狀態圖

圖19 取自Y方向的應力云狀態圖

圖20 基于Mises 的應力云狀態圖

1) 核校洪水位工況移位分析：從圖15可知，在壩身自重、淤泥壓和靜水壓等載荷共同作用下，壩身呈下陷的態勢，移位最大量為2.86 mm，出現在壩身上游側，淺壩基移位較深壩基移位要相對大些。由圖16可知，最大下向移位量為1.17 mm，出現在下游側壩身，壩身上游側Y向移位量為0.24 mm，較下游側壩身移位略低。從上至下，Y向移位量呈逐漸降低狀態，深壩基移位幾乎零值。由圖17可知，壩身上游側的X向最大移位量2.86 mm，緣于上游水體重量和靜水壓是垂向施加于壩面，在X方向上存在較大的分量，致使X向的形變也較大。

2) 核校洪水位工況移位分析：圖18、圖19及圖20分別給出了壩身與壩基，壩身在水體自重、壩身自重、揚壓、靜水壓和沙淤壓等聯合載荷作用下的mises響應力、Y向響應力和X向響應力云狀態圖。第一主響應力在絕大部分區域均為壓響應力，第三主響應力在所有位置均為壓響應力，溢流段的基礎法向響應力均為壓響應力。由圖18可知，最大X向響應力0.54 MPa，發生在壩身下游側反弧段位置。由圖19可知，Y向響應力最大值為0.5 MPa，發生在壩身下游側壩趾位置，屬于響應力局部集中，緣于上游水壓系由上至下逐漸加增，因此導致最大底部Y響應力。由圖20可知，最大mises響應力約為0.72 MPa，發生在壩身下游側，整個構造沒有發生彈塑性形變，屬于正常狀態。在深壩基與淺壩基、淺壩與基壩身交界部位發生響應力梯度演變。

3.2 穩定抗滑分析

將有限元方法計算結果與常規極值剛體平衡法所得結果開展比對，以驗證有限元模擬結果的正確性，見表3。

表3 溢流壩深層穩定抗滑分析成果

模擬計算成果分析：

1) 各節點受力程度有所不同，因為壩身上各節點和滑動面在諸種載荷聯合作用下，應力狀態相對復雜，所以對應安全抗滑常數也就有所不同。但滑動面壩基的安全系數總體滿足于重力壩的設計規范需要。

2) 兩種方法獲得的重點安全系數總體一致，均勝任重力壩基本設計規范的要求，因此重力壩穩定抗滑分析以有限元法來試算驗證是可行的。

3) 有限元法計算壩體深層穩定抗滑系數，所得數值較極值剛體平衡法所得數值略高。查閱資料可知，極值剛體平衡法取計算截面系單寬最大截面，計算所得安全系數相對于有限元法的安全系數要小，其穩定性能相對低些，但仍在相對安全的范圍內，可以滿足設計需要。

4) 借助ANSYS專業智能系統模擬計算重力壩深層穩定抗滑系數，智能快捷，操作性強。能夠通過更換不同的工況和參數，實施多工況條件的模擬演算，相較于傳統方法，相對省時省力效率高。而且經過數據導出，能夠獲得整體安全系數和每個節點的安全系數，對壩身穩定抗滑性能作多角度、相對大規模的數理模擬分析，可以使分析結果更典型、精確和具體，利于工程應用。

4 結 語

本文參考案例實用技術數據，借助ANSYS專業智能有限元模擬系統，圍繞溢流段壩體深層穩定抗滑性態，對混凝土埋石重力壩深層抗滑課題開展了專題分析研究：①建立了混凝土埋石重力壩深層抗滑有限元模型并開展了模擬分析計算；②開展了混凝土埋石重力壩深層響應力與移位、穩定抗滑性專題解析；③模擬分析驗證了有限元法在計算重力壩深層抗滑系數上的適用性，可為同類工程應用提供一定意義的技術參考。