面板堆石壩應(yīng)力變形特性有限元分析

劉 宏，劉日項(xiàng)

（1.溫州市文成縣大峃鎮(zhèn)人民政府，浙江 溫州 325300；2.溫州市文成縣水利局，浙江 溫州 325300）

面板堆石壩應(yīng)力變形特性有限元分析

劉 宏1，劉日項(xiàng)2

（1.溫州市文成縣大峃鎮(zhèn)人民政府，浙江 溫州 325300；2.溫州市文成縣水利局，浙江 溫州 325300）

為研究面板堆石壩的應(yīng)力變形特性，采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，利用ABAQUS建立有限元模型，分別從壩體位移、壩體應(yīng)力、面板應(yīng)力3方面進(jìn)行分析研究，得出在運(yùn)行期內(nèi)相關(guān)荷載作用下壩體的應(yīng)力變形特性，為大壩的實(shí)際運(yùn)行提供理論依據(jù)。

面板堆石壩；應(yīng)力特性；變形；有限元

面板堆石壩最初發(fā)源于美國，是在壩體底部放置塊石作為堆石體，表面澆筑混凝土面板的一種壩體結(jié)構(gòu)類型［1］。大致經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期：①拋填堆石階段；②由拋填堆石向碾壓堆石發(fā)展階段；③大壩主題采用碾壓堆石階段，逐漸向高壩和超高壩發(fā)展［2］。經(jīng)過120多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為一種常見的壩型。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，碾壓面板堆石壩在應(yīng)力變形和結(jié)構(gòu)密實(shí)度等方面有進(jìn)一步改善［3］，但是變形對(duì)于大壩的安全運(yùn)行依然是一個(gè)很大隱患［4］，是其面臨的主要問題，在高混凝土面板堆石壩上體現(xiàn)尤為明顯［5］，因此對(duì)于壩體應(yīng)力變形的分析研究依然極為重要。

本文以此為出發(fā)點(diǎn)，利用ABAQUS［6］對(duì)大壩在運(yùn)行期內(nèi)相關(guān)荷載作用下的壩體應(yīng)力變形特性進(jìn)行研究，為大壩的實(shí)際運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 模型建立

以某水庫為工程背景建立有限元模型。壩體以上水庫集水面積66.8km2，上游主河道長14.8km，河道比降1.69%。從滿足灌溉、供水需水量、上下游安全泄量與防洪（澇）標(biāo)準(zhǔn)要求、電站動(dòng)能指標(biāo)、死庫容淤損率等方面綜合考慮，選取不同情況下的特征水位如表1。

表1 壩前特征水位 單位：m

為保證運(yùn)行的安全性，考慮最不利工況，水位組合選取3種組合方案如表2。

表2 方案設(shè)計(jì)

坐標(biāo)系：X方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?；Y方向?yàn)樨Q直向上。在研究壩體正常運(yùn)行期內(nèi)應(yīng)力變形的時(shí)候，考慮荷載主要有壩體自重、靜水壓力及其他荷載。壩體各部分按照對(duì)應(yīng)材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；靜水壓力在二維中按Pressure施加，選擇Hydrostatic分布，水密度取9.8kN/m3。

在有限元模型內(nèi)約束的設(shè)置，壩基基巖兩側(cè)設(shè)置水平約束，基巖底部設(shè)置全約束；壩基上面壩體和面板不做過多設(shè)置。約束節(jié)點(diǎn)總數(shù)為59個(gè)。

本文選擇壩體最大橫斷面作為典型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過對(duì)其計(jì)算反映出壩體其他部位的穩(wěn)定狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)。在滿足精度要求前提下，網(wǎng)格劃分采取全局種子密度為4，網(wǎng)格尺寸為4m，選取CPE4平面4節(jié)點(diǎn)應(yīng)變單元，整體進(jìn)行自由劃分，局部進(jìn)行切割處理后再劃分。生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)889個(gè)，單元總數(shù)835個(gè)。

壩體最大橫斷面材料分區(qū)如圖1；壩體二維有限元模型網(wǎng)格如圖2。

圖1 壩體橫斷面材料分區(qū)

圖2 二維有限元模型網(wǎng)格

2 應(yīng)力變形分析

2.1 壩體位移分析

不同方案的壩體沉降計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 壩體豎向位移

由圖3可知，不同方案壩體的下沉最大值分別為4.77，2.67，1.89cm。壩體豎向位移主要分布在大壩上游面板處，隨著上游水位的升高，壩體下沉幅度逐漸變大，最大沉降點(diǎn)的位置隨之向上移動(dòng)。

不同方案的壩體水平位移計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 壩體水平位移

由圖4可知，各方案對(duì)應(yīng)的壩體水平位移分別為8.45，4.29，2.81cm。壩體上游面板水平位移變化較明顯；隨著水位升高，壩體水平位移值有所增大，水平位移最大點(diǎn)位置有所上移。

在上游水壓力和自重作用等復(fù)雜荷載共同作用下，混凝土面板產(chǎn)生位移變形，出現(xiàn)局部應(yīng)力，壩體受到面板的應(yīng)力作用進(jìn)而發(fā)生形變，產(chǎn)生位移。所以在壩體中部沉降最劇烈，同時(shí)壩體有向下游移動(dòng)的趨勢(shì)。不同水位對(duì)應(yīng)水壓力不同，因此最大位移出現(xiàn)位置也有所區(qū)別。

2.2 壩體應(yīng)力分析

不同方案的壩體第一主應(yīng)力計(jì)算云圖如圖5。由圖5可知，不同方案的壩體最大拉應(yīng)力值分別為0.22，0.24，0.21MPa，主要分布在壩基上面。在壩底與基礎(chǔ)接觸處附件出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯；主要為壓應(yīng)力，且整體分布區(qū)稍偏向上游。

圖5 壩體第一主應(yīng)力

不同方案的壩體第三主應(yīng)力計(jì)算云圖如圖6。由圖6可知，各方案的壩體最大壓應(yīng)力值分別為1.65，1.57，1.54MPa。壩體在壩基處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯；主應(yīng)力區(qū)稍偏向上游。隨著水位升高，最大主應(yīng)力逐漸增大。

圖6 壩體第三主應(yīng)力

各工況均能滿足壩體材料對(duì)應(yīng)的抗拉和抗壓強(qiáng)度要求。

2.3 面板應(yīng)力分析

不同方案面板主應(yīng)力計(jì)算云圖如圖7～圖8。

圖7 面板第一主應(yīng)力云圖

圖8 面板第三主應(yīng)力云圖

由圖7可知，不同方案面板最大拉應(yīng)力值分別為0.23，0.24，0.23MPa。面板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置也隨著上游水位的降低而逐漸降低。

由圖8可知，不同方案面板最大壓應(yīng)力值分別為1.07，1.02，1.04MPa。面板最大壓應(yīng)力出現(xiàn)位置隨著上游水位的降低而逐漸降低。

從面板整體分析，其并不是純粹的受彎構(gòu)件。在自重和水荷載的作用下，面板還受到其覆蓋面下部堆石體的相互作用，以及由于混凝土面板與散粒體砂礫石之間的相對(duì)滑移所產(chǎn)生的剪切力作用，故面板整體上表現(xiàn)為小偏心受壓狀態(tài)。

3 結(jié)語

（1）壩體上游混凝土面板最容易發(fā)生變形；隨著水位的升高，最大變形值逐漸增大，最大位移發(fā)生位置逐漸上移。

（2）壩體整體處于受壓狀態(tài)，最上面局部出現(xiàn)拉應(yīng)力；在壩底與壩基接觸位置及下面出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（3）面板為小偏心受壓狀態(tài)，面板主應(yīng)力位置隨著水位的升高而升高。

［1］蔣國澄，傅志安.混凝土面板壩工程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［2］Cheng Y M，Lansivaara T，Wei W B.Two-dim tensional slope stability analysis by limit equilibrium and strength reduction methods［J］.Computers and Geotechnics，2007（34）:137-150.

［3］能惠，楊澤艷.中國混凝土面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)步［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012（8）:1361-1368.

［4］沈珠江.面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析的若干問題［A］.中國混凝土面板堆石壩十年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［C］.北京:建筑工業(yè)出版社，1995.

［5］徐澤平，鄧剛.高面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)展及超高面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)問題探討［J］.水利學(xué)報(bào)，2008（10）:1226-1234.

［6］朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.

Finite element analysis on stress and deformation behavior of face rockfill dam

LIU Hong1，LIU Ri-xiang2
（1.Daxue Town People’s Government of Wencheng County in Wenzhou City，Zhejiang Province，Wenzhou 325300，China；2.Wencheng Water Conservancy Bureau in Wenzhou City，Zhejiang Province，Wenzhou 325300，China）

In order to study the stress and deformation behavior of concrete face rockfill dam，holding the principle of Mohr-Coulomb strength，the finite element model was established by the ABAQUS.From the aspects of dam displacement，dam stress，concrete face stress，the characters of dam stress and deformation during storage periods was summarized，which can provide theoretical basis for the dam operation.

face rockfill dam；stress behavior；deformation；finite element

TV222

B

1672-9900（2017）05-0050-04

2017-06-19

劉 宏（1971-），女（漢族），浙江溫州人，工程師，主要從事水利工程方面的研究，（Tel）13868691548。

（責(zé)任編輯：尹健婷）