新疆EDG水庫瀝青混凝土心墻壩三維有限元分析

楊春雁，吳俊杰，2

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210000）

新疆EDG水庫瀝青混凝土心墻壩三維有限元分析

楊春雁1，吳俊杰1，2

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210000）

采用鄧肯-張E～μ模型對EDG水庫大壩進(jìn)行了三維非線性有限元靜力分析，通過對瀝青混凝土心墻壩的應(yīng)力與應(yīng)變分析，研究滿蓄期砂礫料壩體的應(yīng)力、位移分布。結(jié)果表明：大壩變形量值和分布規(guī)律基本合理，應(yīng)力應(yīng)變均在合理范圍，大壩安全穩(wěn)定。

瀝青混凝土心墻壩；非線性有限元；靜力分析；應(yīng)力應(yīng)變

1 工程簡介

EDG水庫具有防洪、供水、灌溉等綜合利用效益?？刂乒喔让娣e10.7萬畝，擔(dān)負(fù)下游工業(yè)園區(qū)、礦區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉的供水任務(wù)，總庫容4 450萬m3，興利庫容3 050萬m3，死庫容850萬m3，為Ⅲ等中型水利工程。水庫樞紐布置：河道中間是瀝青混凝土心墻壩、右岸岸邊為開敞式正槽溢洪道、以及導(dǎo)流兼沖沙放空洞、左岸為輸水隧洞。

2 計(jì)算模型選用

瀝青混凝土心墻和砂礫石堆石料在大壩中起到主要受力作用，為了能夠更好地評測大壩的安全合理性，能夠較好地模擬出瀝青混凝土料與堆石料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，對大壩的安全影響評價(jià)至關(guān)重要[1]。通過大量的試驗(yàn)，國內(nèi)外的研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土料與堆石料料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，與剪應(yīng)力水平而變化和加載應(yīng)力路徑密切相關(guān)。結(jié)果得到瀝青混凝土料與堆石料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系明顯呈現(xiàn)出非線性特性。在國內(nèi)外，通過大、小三軸試驗(yàn)儀，測出這種非線性材料的剪應(yīng)力與軸應(yīng)變的關(guān)系，用這個(gè)非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系反映瀝青混凝土料與堆石料的本構(gòu)關(guān)系。這類非線性材料的本構(gòu)關(guān)系用的較多的是鄧肯-張模型，還有一些是用的南水模型[2]。通過大量的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)南水模型比鄧肯-張模型計(jì)算的變形數(shù)值要小一些。為了安全起見，本次數(shù)值模擬用鄧肯-張的E～μ模型來反應(yīng)瀝青混凝土料與堆石料的本構(gòu)關(guān)系，分別用切線變形模量Et和切線泊松比μt為計(jì)算參數(shù)[3]。

上述公式中共有5個(gè)常數(shù)分別是K、n、φ、c、Rf，通過這5個(gè)常數(shù)可以很好地反應(yīng)出材料的本構(gòu)關(guān)系。

根據(jù)大量三軸試驗(yàn)，鄧肯等人發(fā)現(xiàn)應(yīng)變?chǔ)?與側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?之間也存在一個(gè)雙曲線關(guān)系，之后提出了切線泊松比的數(shù)學(xué)表達(dá)式：[1]

μt是應(yīng)力的函數(shù)，不是泊松比，也不是常量，它是通過3個(gè)參數(shù)G、F、D來確定的值[4]。

上述兩式（1）和（2）就是鄧肯-張E～μ模型，兩式中一共有8個(gè)參數(shù)，通過常規(guī)的三軸常規(guī)試驗(yàn)來獲取這些參數(shù)[5]。這些參數(shù)在推導(dǎo)過程中都具有明確的物理意義，所以可以很好的被工程技術(shù)人員所理解，經(jīng)過長時(shí)間的使用，已經(jīng)積累了較為豐富的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，基本能夠反映出非線性料的本構(gòu)關(guān)系[6]。

3 壩體幾何模型

對大壩進(jìn)行剖分，本次計(jì)算采用六面體實(shí)體單元來剖分壩體以及基巖，通過剖分得到整個(gè)模型結(jié)構(gòu)的總結(jié)點(diǎn)數(shù)為11 655個(gè)，總單元數(shù)為9 888個(gè)。瀝青混凝土心墻節(jié)點(diǎn)486個(gè)，單元192個(gè)，心墻幾何尺寸一般為4.7 m，僅在壩頂最上一層個(gè)別區(qū)域的實(shí)體邊界可達(dá)12 m。大壩整體剖分網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 有限元剖分網(wǎng)格

4 計(jì)算成果與分析

圖2為滿蓄期大壩整體變形示意圖（放大200倍），壩體位移分布與國內(nèi)外同類工程相似，基本符合瀝青混凝土堆石壩體的變形規(guī)律。

圖3～6為滿蓄期壩體最大剖面堆石體的上下游方向（順河向）水平位移、豎向位移及應(yīng)力等值線分布圖。當(dāng)水庫蓄水后，瀝青混泥土心墻在水荷載的作用下，大壩整體與心墻有向下游移動(dòng)的趨勢，向上游最大水平位移減小到8.0 cm，位于上游壩體1/3壩高附近；向下游最大水平位移增大為15.7 cm，位于下游壩體2/3壩高附近。最大豎向位移為32.5 cm，大壩最大沉降約為壩高的0.38%，最大值的位置與竣工期相比稍偏向上游，均在已建工程監(jiān)測值范圍內(nèi)。

圖7～9為瀝青混凝土心墻的大、小主應(yīng)力及剪應(yīng)力水平等值線圖，根據(jù)圖7、8可以得到竣工期的大、小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，沒有出現(xiàn)主拉應(yīng)力區(qū)。大主應(yīng)力最大值為1.833 MPa，小主應(yīng)力最大值為1.100 MPa，蓄水期的大主應(yīng)力的最大值為1.885 MPa，小主應(yīng)力最大值為1.238 MPa。在心墻下部1/3的壩高處，個(gè)別單元的第三主應(yīng)力有較小的拉應(yīng)力出現(xiàn)，其最大極值為-0.045 MPa。這不會(huì)因出現(xiàn)小范圍的拉應(yīng)力而引起拉裂，影響瀝青混凝土心墻的防滲性能。圖9為瀝青心墻的的剪應(yīng)力水平等值線圖，從圖中可以得到心墻最大值剪應(yīng)力值出現(xiàn)在左岸與心墻接觸面附近為0.36，但均小于1。

圖2 滿蓄期大壩整體變形圖（放大200倍）

圖3 滿蓄期最大剖面水平位移等值線圖（cm）

圖4 滿蓄期最大剖面垂直位移等值線圖（cm）

圖5 滿蓄期最大剖面大主應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖6 滿蓄期最大剖面小主應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖7 滿蓄期瀝青混凝土心墻軸線剖面大主應(yīng)力等值線圖（MPa）

5 結(jié)論

根據(jù)室內(nèi)大、小三軸試驗(yàn)資料，整理出鄧肯-張模型的力學(xué)參數(shù)，對EDG瀝青混凝土心墻堆石壩進(jìn)行三維非線性有限元靜力計(jì)算，結(jié)果表明：靜力計(jì)算得到的大壩變形量值和分布規(guī)律基本合理，最大沉降發(fā)生在蓄水期為為壩高的0.38%。壩體位移分布在國內(nèi)外工程的經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)。瀝青混凝土心墻的大小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，有很少的單元出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，但是拉應(yīng)力極值都小于瀝青材料的拉應(yīng)力值，可知瀝青心墻在竣工期與蓄水期時(shí)不會(huì)出現(xiàn)拉伸破壞。同時(shí)瀝青心墻的剪應(yīng)力水平值均小于1，基本沒有單元在竣工期與蓄水期時(shí)產(chǎn)生剪切破壞，這樣也降低了瀝青心墻水力劈裂的可能性，研究成果基本可以作為大壩設(shè)計(jì)的依據(jù)。

圖8 滿蓄期瀝青混凝土心墻軸線剖面小主應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖9 滿蓄期瀝青混凝土心墻軸線剖面應(yīng)力水平等值線圖

[1] 謝定義，姚仰平，黨發(fā)寧.高等土力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 顧淦臣，黃金明.混凝土面板堆石壩的堆石本構(gòu)模型與應(yīng)力變形分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1991（1）：12-14.

[3] 吳俊杰，鳳 煒，劉 亮，等.山前傾斜平原水庫全庫盤防滲復(fù)合土工膜應(yīng)力應(yīng)變分析[J].水電能源科學(xué)，2013（12）：22.

[4] 吳 強(qiáng).應(yīng)力應(yīng)變有限元法在面板堆石壩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].廣西水利水電，2009（1）：23-27.

[5] 唐 崗.斧子口水利樞紐溢流壩三維有限元分析[J].廣西水利水電，2013（3）：28-32.

[6] 紀(jì) 亮，張建海，何昌榮，等.雙江口水電站心墻堆石壩應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值分析[J].廣西水利水電，2008（4）：4-7.

（責(zé)任編輯：周 群）

3D finite element analysis for asphalt concrete core wall dam of EDG Reservoir in Xinjiang

YANG Qiu-yan1,WU Jun-jie1,2
（1.Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Institute,Urumqi 830000,China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Liaoning,Nanjing 210000,China）

3D finite element static analysis was conducted with the Duncan-Chang model for the main dam of EDG Reservoir.Based on stress and strain analysis of the asphalt concrete core wall dam,the stress and displacement dis?tribution of sand gravel dam body under full impoundment was studied.The results of study demonstrate that main dam is safe and stable with deformation value and distribution rule being rational,stress and strain within accept?able range.

Asphalt concrete core wall dam;non-linear finite element;static analysis;stress and strain

TV641.41

B

1003-1510（2016）02-0051-03

2016-01-06

楊春雁（1980-），女，新疆烏魯木齊人，新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院工程師，學(xué)士，主要從事水利工程勘察、設(shè)計(jì)工作。