基于ANSYS的碾壓混凝土重力壩斷層帶處理有限元分析

劉蒙娜，胡士輝，甕 宛

(1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450016)

碾壓混凝凝土重力壩穩(wěn)定的關(guān)鍵是壩基的完整性，壩基斷層將直接影響大壩的位移與應(yīng)力分布，尤其是順?biāo)飨蜉^大的斷層帶將會(huì)使壩基沿?cái)鄬訋Оl(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致壩體產(chǎn)生順?biāo)飨蛄芽p。為此，眾多水利工作者從不同方面對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了研究。徐衛(wèi)亞[1]等選取典型壩段，對(duì)受垂直水流方向斷層影響的重力壩進(jìn)行有限元分析，對(duì)壩基的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；劉依松、艾子欣[2-5]等采用有限元法模擬了重力壩在各種荷載作用下的應(yīng)力和變形，得出壩體應(yīng)力變形的變化規(guī)律；王建偉[6]等基于有限元等效應(yīng)力的思想，通過控制網(wǎng)格大小的方法來調(diào)整壩踵應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果；孟波[7]等通過對(duì)某水庫大壩壩基斷層采取工程處理措施，根據(jù)滲壓監(jiān)測(cè)成果分析斷層處理措施的可靠性?？傮w來看，對(duì)于碾壓混凝土重力壩沿壩基順?biāo)飨驍鄬訋幚矸治龅难芯肯鄬?duì)較少。本文利用ANSYS對(duì)大石澗水庫壩體及壩基斷層沿壩軸線方向進(jìn)行數(shù)值模擬，分析斷層處理前后的應(yīng)力變形，斷層處理后的成果與工程實(shí)測(cè)值基本一致，基本解決了斷層處理的問題。

1 工程概況

2 實(shí)例計(jì)算分析

2.1 計(jì)算范圍和邊界約束條件

本次順壩軸線方向，采用平面有限元簡(jiǎn)化計(jì)算，取壩頂中線位置。計(jì)算范圍：壩肩兩岸寬度取最大壩高的3倍(200m)，豎直方向建基面以下取最大壩高的3倍(200m)。左右岸均采用法向約束，底面采用固定約束。計(jì)算采用的坐標(biāo)軸：溢流壩段壩中點(diǎn)為坐標(biāo)(0，0)點(diǎn)，x軸從溢流壩壩基中點(diǎn)水平指向右岸，y軸豎直向上為正方向。計(jì)算斷面如圖1所示。

圖1 大壩計(jì)算斷面圖

2.2 計(jì)算參數(shù)與整體模型

壩體及地基巖石材料參數(shù)見表1。斷層破碎帶及固結(jié)灌漿區(qū)域計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 壩體與地基巖石材料參數(shù)

表2 斷層及灌漿區(qū)域材料參數(shù)

碾壓混凝土壩體和地基均采用ANSYS中的PLANE42平面四邊形單元模擬，壩體混凝土材料采用線彈性單元模擬，地基巖石和斷層采用彈塑性DP模型模擬。整體模型共有18487個(gè)節(jié)點(diǎn)，18165個(gè)單元。

2.3 計(jì)算工況

依據(jù)SL 319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，各工況下的荷載組合見表3。

表3 計(jì)算工況及荷載組合結(jié)果

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)前文確定的邊界條件，綜合考慮各種計(jì)算荷載，借助于ANSYS對(duì)斷層處理前后各工況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力計(jì)算和分析。

2.4.1壩體位移、應(yīng)變分析

壩體各工況位移及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。其中壩體完建期斷層斷層處理前位移計(jì)算結(jié)果如圖2所示，壩體垂直正應(yīng)變?cè)迫鐖D3所示。

表4 壩體各工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖2 壩體x向位移圖

圖3 壩體垂直正應(yīng)變?cè)茍D

計(jì)算結(jié)果表明：壩體最大垂直位移位于壩頂，最大水平位移位于左岸，方向指向大壩右岸；壩體最大垂直正應(yīng)變位于溢流壩段壩底。在右岸與斷層接觸部位的壩體底部第一主拉應(yīng)力出現(xiàn)了最大值，但很小，滿足規(guī)范要求。

2.4.2壩基位移、應(yīng)力分析

壩基各工況位移及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5。其中完建期斷層處理前壩基位移、等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖4—5所示。

表5 基巖各工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 壩基巖石x向位移圖

圖5 壩基巖石等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

計(jì)算結(jié)果表明：F3斷層處出現(xiàn)最大塑性應(yīng)變區(qū)，大壩建成后出現(xiàn)塑性破壞的可能性很大，應(yīng)對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行處理。

斷層帶處理之后，再對(duì)壩基及壩體進(jìn)行有限元計(jì)算結(jié)果顯示：壩基F3斷層塑性區(qū)域基本消失，這表明固結(jié)灌漿改善了壩基的不良地質(zhì)條件對(duì)壩體造成的影響。壩體第一主拉應(yīng)力減小，在右岸與F3斷層接觸部位的壩體底部不再出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。固結(jié)灌漿對(duì)壩體位移、應(yīng)變沒有太大影響。

3 斷層帶F1，F(xiàn)3的加固處理方案

3.1 原設(shè)計(jì)方案

為改善大石澗水庫大壩壩基巖石的力學(xué)性能，加強(qiáng)壩基巖體的整體性，提高基巖的變形模量和強(qiáng)度，首先將左岸F1、右岸F3斷層進(jìn)行挖除，然后用混凝土塞進(jìn)行回填，F(xiàn)1、F3斷層開槽挖深為寬度的1.50倍，對(duì)F1、F3斷層上游30m、下游30m，兩側(cè)各2m范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，孔深6m。

3.2 實(shí)際實(shí)施方案

由于F1、F3位于兩壩肩，上下游山體還較厚，壩體外的固結(jié)灌漿施工較困難，對(duì)F1斷層上游30m、下游30m，兩側(cè)各2m范圍內(nèi)及F3斷層上游30m、下游12m，兩側(cè)各2m范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，孔深6m。由于F3斷層帶較寬，在開挖部分與基巖之間用混凝土塞回填，在塞填混凝土與壩基混凝土相交的界面布置HRB400級(jí)鋼筋32@150cm鋼筋網(wǎng)，此外，對(duì)F1、F3斷層所在的壩段帷幕灌漿采用雙排帷幕加強(qiáng)處理。

經(jīng)有限元計(jì)算分析后，減小壩體外固結(jié)灌漿范圍，節(jié)省投資，但工程仍是安全的。

4 效果分析

大石澗水庫大壩于2020年5月施工完畢，壩體完建期實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)壩體與有限元計(jì)算壩體最大豎直位移及壩體最大垂直正應(yīng)變對(duì)比見表6。

表6 完建期應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)

F1、F3斷層貫穿大壩的上下游，由于上下游覆蓋層的影響，難以準(zhǔn)確確定其斷層位置。計(jì)算研究分析，處理范圍減小，確定采用混凝土塞+固結(jié)灌漿的處理方案，針對(duì)性比較強(qiáng)。經(jīng)過壩體完建期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，實(shí)測(cè)值均小于有限元計(jì)算值，且滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，大石澗水庫大壩順?biāo)飨驂位鶖鄬訋幚砣〉昧溯^好的效果。

5 結(jié)語

大石澗水庫大壩壩基由于斷層F1、F3的存在，對(duì)壩體的應(yīng)力變形和穩(wěn)定性影響較大，文章通過對(duì)斷層處理前后各工況進(jìn)行有限元計(jì)算，得出結(jié)論：

(1)按照處理前的斷層參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算，F(xiàn)3斷層邊沿與右岸巖體接觸部位出現(xiàn)塑性區(qū)，但按照處理后的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，塑性區(qū)基本消失。說明對(duì)重力壩壩基斷層采用采用混凝土塞+固結(jié)灌漿的處理方案是合適的。

(2)通過對(duì)大壩建成后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)大壩和壩基順?biāo)飨驍鄬硬捎煤?jiǎn)化的有限元模型模擬是合理的。

本次實(shí)例分析對(duì)其它類似工程簡(jiǎn)化計(jì)算及斷層帶處理有一定的參考借鑒意義。