面板堆石壩應力變形動力有限元分析研究

劉姍姍

(齊齊哈爾市江東灌澇區(qū)服務中心，黑龍江 齊齊哈爾 161001)

1 概 述

面板壩在中國壩工設計中占有一定比重，在強震區(qū)的面板壩應力變形研究十分重要，對大壩的安全穩(wěn)定運行意義重大。因現(xiàn)行對于高面板壩的實際震害資料匱乏，基本振動臺試驗模型[1]研究中的動力特性較少開始不久，客觀準確研究大壩動力變形有一定難度。通常混凝土面板堆石壩地震動力分析以靜力計算為基礎，模擬動荷載加速度作用下大壩受力變形，該方法中的應力分布特點、參數(shù)選取、接觸面面積等問題有待于進一步研究和探索。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水利樞紐工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型，樞紐主要是以供水為主，兼具生態(tài)灌溉和發(fā)電功效。該工程總庫容11.35億m3，正常蓄水位為877.0m，壩頂高程為884m，最大壩高156m，電站裝機容量84萬kW。大壩基本設防烈度為8度[2]。樞紐建筑物主要為攔水壩、泄洪洞、引水隧洞和廠房等，某混凝土面板壩標準剖面圖，見圖1；壩體三維有限元模型，見圖2。

圖1 某混凝土面板壩標準剖面圖

圖2 壩體三維有限元模型

2.2 本構模型與計算參數(shù)

壩體堆石料參數(shù)采用室內(nèi)三軸試驗和相關工程經(jīng)驗[3]得來，模型材料參數(shù)，見表1；堆石料動剪切模量系數(shù)及指數(shù)值，見表2。

表1 壩體鄧肯E-B模型材料參數(shù)表

表2 堆石料動剪切模量系數(shù)及指數(shù)值[4]

2.3 計算結果

2.3.1 壩體應力和變形

節(jié)點A加速度反應時程曲線，見圖3；壩體順河向最大反應加速度分布圖，見圖4；壩體最大豎向反應加速度分布圖，見圖5。

圖3 節(jié)點A加速度反應時程曲線

圖4 壩體順河向最大反應加速度分布圖

圖5 壩體最大豎向反應加速度分布圖

由圖3-5可知，順河向壩體最大加速度反應顯著，順河向最大加速度為8.64m/s2，放大倍數(shù)2.15，出現(xiàn)于壩頂下游附近位置。壩體最大豎向加速度為3.92m/s2，放大倍數(shù)1.45。下游反應程度明顯大于上游，對比可知水平向加速度比豎向反強烈。

堆石體單元a最大動剪應力時程分布，見圖6；壩體典型剖面動剪應力結果，見圖7；可得該最大動剪應力為 785.3 KPa。

圖6 典型單元a最大動剪應力時程分布

圖7 壩體最大動剪應力分布圖

2.3.2 面板變形和應力

地震作用下面板撓度等值線圖，見圖8；地震作用下面板軸向位移等值線圖，見圖9。

圖8 地震作用下面板撓度等值線圖

圖9 地震作用下面板軸向位移等值線圖

由圖8-9對比可得，地震荷載作用下的面板撓度最大撓度為24.52cm，左岸7.46cm，右岸為7.18cm，等值線分布未受影響，說明在彈模較大的上游壩表上澆筑面板后，地震未引起大壩較大變形，故面板形變較小。面板最大動壓應力圖，見圖10；面板最大動拉應力圖，見圖11。

圖10 面板最大動壓應力圖

圖11 面板最大動拉應力圖

大壩動力有限元計算結果，見表3。

表3 大壩動力有限元計算結果

3 結 論

文章在有限元基本原理和動力分析基礎上，結合實際工程建立三維有限元模型，對面板堆石壩進行動力有限元分析，計算得到大壩在不同地震加速度下的大壩變形和動剪應力結果，面板變形位移和順河向應力、軸向應力結果，通過應力變形計算結果表明該面板堆石壩壩體和面板設計合理，運行安全可靠。