深厚覆蓋層面板堆石壩應(yīng)力變形有限元分析

陳文元

(青海省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，青海 西寧 810000)

1 概述

混凝土面板堆石壩(Concrete Face Rock-fill Dam)最初發(fā)源于美國(guó)，至今有100多年歷史[1]。由于其適于修建在山谷、對(duì)環(huán)境的適用性較強(qiáng)、可以就地取材、施工速度也比較快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

在實(shí)際運(yùn)行中壩體和面板的安全運(yùn)行問題一直是研究的重點(diǎn)[2]，在高寒高海地區(qū)體現(xiàn)的尤為明顯。我們國(guó)家對(duì)面板堆石壩的研究起步較晚，但是進(jìn)步特別快[3- 4]。在實(shí)際運(yùn)行中，大壩的安全和穩(wěn)定受眾多因素影響，不同的學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究[5]。不同地勢(shì)的壓力不同，對(duì)壩體和面板產(chǎn)生的影響也會(huì)不同，同樣覆蓋層對(duì)于大壩的面板和壩體也會(huì)有一定的影響[6]。溫度也是大壩一個(gè)很重要的影響因素[7- 8]，高寒地區(qū)的溫度變化對(duì)大壩的安全運(yùn)行影響很大。

本文主要針對(duì)高寒高海拔地區(qū)，采用ANSYS對(duì)深覆蓋層面板堆石壩在正常蓄水運(yùn)行期內(nèi)的不同部位的應(yīng)力變形特性進(jìn)行研究。

2 模型建立

以某高寒高海拔地區(qū)的水庫為工程背景進(jìn)行研究。水庫主要建筑物由擋水大壩、導(dǎo)流洞、泄洪洞、放水洞等組成。壩頂高程為2941.62m，正常蓄水位為2938.98m，總庫容為1.1×107m3，壩趾兩側(cè)呈現(xiàn)“V”字形。正常蓄水期是壩體承受的荷載主要為自重和水壓力。

在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行本構(gòu)模型的選擇，目前常見比較可靠的模型有Duncan Chang的雙曲線模型及E-B模型、非線性耦合K-G模型、以及改進(jìn)的Naylor K-G模型等，本文碎石采用Duncan Chang的E-B模型?；炷撩姘宀捎帽容^成熟的線彈性模型[9- 10]。對(duì)于壩體面板和上面的碎石之間的接觸面采用抗剪薄面，采用雙曲線模型。

ANSYS作為廣泛使用的有限元軟件，可以很好的滿足我們的需求。荷載在計(jì)算過程中采用逐級(jí)施加的原則。坐標(biāo)系采用常見的笛卡爾坐標(biāo)系，順?biāo)飨驗(yàn)閄方向；垂直方面方位Y方向；順著壩軸線方向?yàn)閆方向。壩體的不同區(qū)域材料不同進(jìn)行對(duì)應(yīng)的設(shè)置，具體參數(shù)見表1。水容重大小是按照9.81kN/m3來設(shè)置，混凝土自重為25kN/m3。

在接觸面采用面-面分析，使用Conta174單元，對(duì)于混凝土采用Solids 64單元，采用SWEEP掃略法以面板為初始斷面進(jìn)行劃分，模型總體單元數(shù)為32656個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為33692個(gè)。為方便計(jì)算選取基巖高度為一倍的壩高。在計(jì)算之前進(jìn)行邊界條件的

表1 材料參數(shù)

設(shè)置，在基巖底部設(shè)置為全約束，壩體與兩岸的接觸部位設(shè)置水平方向的約束，在豎直方向不對(duì)設(shè)置，這樣更符合實(shí)際運(yùn)行。大壩有限元模型如圖1所示。為了更細(xì)致的研究壩體的應(yīng)力變形，對(duì)壩體進(jìn)行剖分選取典型斷面如圖2所示，典型斷面橫剖面圖如圖3所示。

圖1 大壩有限元模型

圖2 大壩典型斷面位置圖

圖3 典型斷面橫剖面圖

3 應(yīng)力變形分析

3.1 壩體應(yīng)力分析

對(duì)正常蓄水期壩體不同位置典型斷面的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖4—5所示。

從圖4可知，拉應(yīng)力主要分布在壩體上側(cè)，隨著高程的降低逐漸變化為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力逐漸增大。第一主應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在上游壩體與覆蓋層接觸的壩頂附近。在壩體不同剖面上第一主應(yīng)力分布基本相似，但是第一主應(yīng)力最大值存在區(qū)別，F(xiàn)1、F2、F3三個(gè)剖面的最大拉應(yīng)力分別為0.024、0.023、0.019MPa，最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在上游壩趾附近。三個(gè)剖面的最大壓應(yīng)力分別為2.21、2.14、1.67MPa，均出現(xiàn)在壩體與基巖基礎(chǔ)的中間位置處。

從圖5可知，第三主應(yīng)力的應(yīng)力分布與第一主應(yīng)力分布類似，隨著高程降低拉應(yīng)力逐漸減小，壓應(yīng)力逐漸增大。最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)出現(xiàn)在位置與第一主應(yīng)力相同。最大壓應(yīng)力分別為3.68、3.59、2.92MPa。第三主應(yīng)力總體呈現(xiàn)對(duì)稱分布，稍微偏向上游。

圖4 壩體典型斷面第一主應(yīng)力

圖5 壩體典型斷面第三主應(yīng)力

圖6 壩體典型斷面縱向位移

圖7 壩體典型斷面垂向位移

3.2 壩體位移分析

壩體縱向位移和垂向位移計(jì)算云圖分別如圖6—7所示。

由圖6可知，壩體縱向位移整體上由壩中心位置向兩側(cè)大致對(duì)稱分布，下游位移大小為正值，向下游移動(dòng)；上游壩體位移為正值，向上游移動(dòng)。F1、F2、F3三個(gè)剖面上游的最大縱向位移分別為11.6、11.3、8.7cm，出現(xiàn)位置為上游壩踵與基巖交接處正下方35m附近位置處；下游最大縱向位移分別為14.2、13.7、9.7cm，出現(xiàn)在下游壩趾與基巖交接處靠上游30m位置處附近。

由圖7可知，壩體的垂向位移整體是垂直向下移動(dòng)。壩體最大位移出現(xiàn)在壩體與覆蓋層交接處，F(xiàn)1、F2、F3三個(gè)剖面的最大垂向位移分別為：66.1、64.5、48cm。說明最大位移出現(xiàn)在壩體中間位置。

3.3 面板應(yīng)力分析

面板應(yīng)力變化云圖如圖8所示，位移變化云圖如圖9所示。

圖8 面板應(yīng)力分布云圖

由圖8(a)可知，混凝土面板應(yīng)力分布主要為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在壩頂和岸坡附近。較大壓應(yīng)力出現(xiàn)在底部，且均在混凝土受壓強(qiáng)度范圍內(nèi)。拉應(yīng)力最大值為1.84MPa，也在承受范圍內(nèi)。根據(jù)圖8(b)可知，面板呈現(xiàn)雙向受壓、局部受拉狀態(tài)。最大壓應(yīng)力為14.9MPa，拉應(yīng)力在混凝土的承受范圍之內(nèi)。

圖9 面板位移分布云圖

由圖9可知，在正常蓄水運(yùn)行時(shí)，面板縱向位移最大值出現(xiàn)在面板中間位置，出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。中間向下游移動(dòng)，移動(dòng)位移大小為7.8cm，上下兩側(cè)向上游移動(dòng)，移動(dòng)位移大小為1.0cm。在垂向上，面板整體垂直向下，最大位移出現(xiàn)在面板中間位置，大小為17.5cm。

4 結(jié)論

(1)壩體各部分整體應(yīng)力分布趨勢(shì)一致。由壩體中間位置向兩側(cè)最大拉應(yīng)力逐漸減小，減小幅度為2.5%、20%。最大壓應(yīng)力向兩側(cè)同樣逐漸減小，減小幅度為2.4%、20.7%。

(2)壩體在上游側(cè)壩趾附近向上游移動(dòng)，最大位移出現(xiàn)在壩趾正下方35m處；下游側(cè)向下游移動(dòng)，最大位移出現(xiàn)在壩趾靠上30m位置附近。在垂向上最大位移出現(xiàn)在壩體與堆石交接處。

(3)混凝土面板面板整體呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為1.8MPa，滿足抗拉強(qiáng)度需求。面板最大位移出現(xiàn)在面板中心位置附近，容易出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

綜合考慮，建議在高寒高海拔地區(qū)加強(qiáng)對(duì)面板中心位置的檢測(cè)和維護(hù)。