基巖變形對重力壩應變影響有限元分析

吳永飛

(沈陽市蘇家屯區農業技術推廣與行政執法中心，沈陽 110101)

1 緒 論

重力壩因其自身特點在壩工設計中廣泛應用，高重力壩壩體斷面較大，對基巖適用性要求低于同高度拱壩。當前壩工界重力壩設計要點為盡可能減少揚壓力，通過不斷改進重力壩結構形式，改良混凝土工藝和施工工序，以便能夠加快施工進度，降低工程造價等[1]，進而針對性降低荷載帶來的不利影響，減少重力壩應用的技術壁壘。為重力壩提供更為廣泛的應用空間。

2 有限元基本原理

有限元分析中通常采用8結點六面體單元，示意圖見圖1。通過坐標變換可得曲面空間的8結點等參元，坐標變換關系式為：

(1)

圖1 空間8結點等參元

則單元的位移函數為：

(2)

式中：ui、vi、wi為結點位移。

由虛功原理得單元剛度矩陣為：

(3)

(4)

作用于單元結點上的等效節點力為：

{F}e=[K]e{δ}e

(5)

外力作用于單元結點上的等效荷載為：

1)若外力為體積力：

(6)

2)若外力為分布面力：

(7)

整個結構的平衡方程為：

[K]{δ}={P}

(8)

3 工程實例

3.1 工程概況

某水電站為西北省份的梯級電站，樞紐建筑物主要包括：混凝土重力壩、泄洪底孔、電站廠房等，主要建筑物設計為3級，臨時建筑物5級，安全級別II級。最大壩高78.0m，壩頂全長174.0m。水庫正常蓄水位1895.00m，總庫容0.63億m3[3]，具有日調節性能。

大壩建基面為弱風化花崗巖體，花崗巖為中期侵入巖漿巖，巖質堅硬，抗壓強度高，抗滲性強，彈性模量大。混凝土結構體采用SOLID45單元模擬[4]，共模擬單元總數94722，節點36943個。有限元模型模擬結果見圖2。

圖2 混凝土重力壩基巖

3.2 基本參數

基巖花崗巖彈性模量E=1.84×104MPa；混凝土抗剪強度f＇=0.85，C＇=0.8MPa；泊松比=0.21[5]。

混凝土容重γc=25kN/m3；泊松比c=1/6；

泥沙干容重γs=11.2 kN/m3；孔隙率0.53；內摩擦角20°。

3.2 計算成果

荷載組合包括：施工在建：自重荷載。

正常運行：自重+外水壓力+內水壓力+泥沙壓力+揚壓力+側向外水壓力。

圖3 工況一基巖X方向應力等值線圖

圖4 工況二基巖Y方向應力等值線圖

圖5 工況二基巖Z方向應力等值線圖

由圖示結果可得，基巖橫向和豎向應力變化值較大，軸向應力值較小。工況一順河向最大正應力1.026MPa，出現在大壩基巖面接觸部位，豎直方向最大正應力出現在壩基偏上10m位置。

基巖應力變化結果見表1，位移變化結果見表2。

表1 基巖應力變化結果

表2 基巖位移變化結果

從表1和表2中可得，基巖各向變形均不大，最大值為0.798mm，位于豎向向下變形。工況一的基巖最大拉應力值發生在順河向，各向變形均較小，工況1、2的豎向和軸向最大拉應力相差不多。

4 結 論

文章在有限元分析原理基礎上，結合實際重力壩工程建立壩體基巖三維有限元模型，計算不同荷載組合的壩體基巖應力變形，得出基巖豎向應變最大，分析其為受到大壩自重和水壓力荷載作用下的正常形變，成果符合混凝土壩設計規范規定，同時驗證了該重力壩建基面是安全合理的。