基于ANSYS的面板堆石壩筑壩過程應(yīng)力變形分析

摘 要：【目的】面板堆石壩筑壩過程中的應(yīng)力變形對評估壩體的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義?！痉椒ā坎捎糜邢拊浖嗀NSYS對某水庫大壩的筑壩過程進行數(shù)值模擬，采用分層加載的方式模擬面板堆石壩的施工過程。【結(jié)果】模擬結(jié)果表明，隨著壩體填筑層數(shù)的增加，其變形量與應(yīng)力變化量都隨之逐漸增大，當壩體填筑完成開始蓄水時應(yīng)力變化不大?！窘Y(jié)論】通過對壩體的應(yīng)力變形進行分析，對面板堆石壩筑壩過程中的壩體應(yīng)力變形特性有了更加深入的了解，對實際工程具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：ANSYS；面板堆石壩；筑壩過程；應(yīng)力變形

中圖分類號：TV641 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）15-0042-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.009

ANSYS-Based Stress-Deformation Analysis of the Dam Construction Process of Panel Rockfill Dams

HU Chaozhong1 FU Linie2

（1.Yunnan Water Conservancy and Hydropower Vocational School， Kunming 650000， China;

2.Yunnan Jiaofa Consulting Company Limited， Kunming 650000， China）

Abstract： [Purposes] Stress deformations during the construction of panel rockfill dams are important for assessing the safety and stability of dams. [Methods] In this paper， the finite element software ANSYS is used to numerically simulate the dam construction process of a reservoir dam， and the construction process of panel rockfill dam is simulated by loading in layers. [Findings] The simulation results show that with the increase of the number of dam filling layers， the deformation and stress variation increase gradually. When the dam filling is completed to storage water， the stress changes little. [Conclusions] By analyzing the stress and deformation of the dam body， the stress and deformation characteristics of the dam body during the construction process of panel rockfill dam are better understood， which is of guiding significance to the actual project.

Keywords： ANSYS; panel rockfill dam; dam construction process; stress deformation

0 引言

隨著我國水利建設(shè)的快速發(fā)展，面板堆石壩作為一種新型水利水電工程形式得到了廣泛應(yīng)用。面板堆石壩具有許多優(yōu)點，例如結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、容易進行維護和修復(fù)等，對于提高水資源的利用效率也非常有利［1］。同時，面板堆石壩還能夠提供可靠的防洪保護、發(fā)電等功能，對于社會和經(jīng)濟的發(fā)展也產(chǎn)生了較大的推動作用。與傳統(tǒng)的混凝土壩相比，面板堆石壩在設(shè)計和施工上更加靈活和方便，同時其建造成本也更低。因此，在水利重點工程、山區(qū)小水電站和城市供水等方面，廣泛采用了面板堆石壩［2］。因此，了解面板堆石壩的筑壩過程對于加強水利工程的建設(shè)具有重要意義。

1 計算原理

1.1 面板堆石壩的本構(gòu)模型

堆石體的本構(gòu)模型選取巖土工程中廣泛應(yīng)用的鄧肯張E-B模型進行計算［3］。其中，切線彈性模型見式（1），切線體積模量見式（2），泊松比見式（3），回彈模量見式（4）。

[Et=1?Rf（1?sin?）（σ1?σ3）2Ccos?+2σ3sin?KPaσ3Pan] （1）

[B1=KbPaσ3Pam] （2）

[μt=3Bt?Et6Bt] （3）

[Eur=KurPaσ3Pan] （4）

以上式中：[Rf]為破壞比；[?]為內(nèi)摩擦角；[C]為黏聚力；[σ3]為側(cè)限壓力；[K]為彈性模量數(shù)；[Pa]為大氣壓力；[n]為彈性模量指數(shù)；[Kb]為體積模量數(shù)；[m]為體積模量指數(shù)；[Kur]為卸荷模量數(shù)。

同時，此模型考慮粗粒料內(nèi)摩擦角[?]隨圍壓[σ3]的變化，具體見式（5）。

[?=?0?Δ?lgσ3Pa] （5）

面板與墊層之間接觸面的本構(gòu)關(guān)系采用Clough和Duncan提出的非線性彈性關(guān)系［4］，接觸單元選用Goodman無厚度單元［5］對面板堆石壩進行數(shù)值模擬。

1.2 基于ANSYS的面板堆石壩筑壩過程模擬

為了更準確地模擬面板堆石壩的填筑過程，本研究采用逐層填筑的方式進行施工模擬。針對面板堆石壩一次性加載和分層逐級加載所產(chǎn)生的不同應(yīng)力變形，利用APDL語言編寫了計算程序，以實現(xiàn)面板堆石壩的施工模擬［6］。

本研究在進行面板堆石壩的施工填筑過程模擬時，主要利用了ANSYS中的生死單元功能［7］。按照實際壩體的施工順序，首先激活地基的單元，表示只有地基存在且荷載為地基的自重，然后逐步激活各層結(jié)構(gòu)的單元，代表施工逐漸進行到各個層次，荷載隨之變化，直至完成整個填筑過程［8］。

2 實例計算

2.1 工程概況

云南省某大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 796.30 m，最大壩高142 m，壩頂長386.9 m，寬12.0 m，上游壩坡坡比為1∶1.4、下游平均壩坡比為1∶1.55，并在1 766.30 m、1 713.30 m高程處分別設(shè)3 m寬馬道。面板頂部厚度為0.3 m，此后漸變至面板底部，底部最大厚度為0.8 m。水庫正常蓄水位為1 790.00 m，死水位為1 752.00 m，設(shè)計洪水位為1 791.49 m，校核洪水位為1 793.91 m，混凝土面板堆石壩材料分區(qū)從上游至下游依次為混凝土面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)。壩體概化分區(qū)如圖1所示。

2.2 有限元模型及計算參數(shù)

本研究對云南省某面板堆石壩建立三維有限元模型，模型計算坐標系X軸為順河向方向，Y軸為豎直壩軸線，Z軸為左右岸方向，采用六面體單元solid185對三維模型進行網(wǎng)格劃分，整個模型劃分了20 268個單元、4 627個節(jié)點。壩體有限元模型如圖2所示，面板有限元模型如圖3所示。為了模擬大壩實際施工情況，計算時對筑壩過程進行分級加載，本次計算參數(shù)由云南省某設(shè)計院提供，具體見表1和表2。

2.3 筑壩過程中壩體應(yīng)力變形分析

由于面板堆石壩的施工過程是逐層填筑的，為了模擬大壩的實際填筑情況，在有限元模擬過程中，對壩體填筑過程進行分級加載，按照施工過程將大壩分為16級加載，1～9級、11～15級為堆石體施工加載，10級與16級為面板施工加載，17～24級為蓄水加載。采用鄧肯張E-B模型進行計算，壩體每填筑一層，進行一次計算，并且對相應(yīng)的應(yīng)力變形計算結(jié)果進行分析。

2.3.1 筑壩過程中壩體變形分析。

①筑壩過程中壩體及最大斷面順河方向位移。以第13層為例，其X方向位移如圖4所示。由圖4可知，筑壩過程中壩體的X向位移主要發(fā)生在1/3壩高處兩側(cè)位置，上游壩坡處的堆石體向上游移動，下游壩坡處的堆石體向下游移動。隨著筑壩高度的增加，兩側(cè)的位移逐漸增大，下游處的位移比上游處的位移稍大，在一期面板施加完畢后，并在面板的約束下，上游側(cè)的位移略微減小，兩側(cè)變化規(guī)律基本一致。

分級加載過程中X方向位移變化如圖5所示。由圖5可知，上游方向的位移隨著填筑層數(shù)的增加逐漸上升，并且隨著填筑層數(shù)的增加，位移量上升的速度有所變緩，壩體填筑完成時位移變化量最大。壩體填筑完成后開始蓄水，在水壓力的作用下，隨著水位的上升，上游方向的位移開始逐漸減小，在校核洪水位時位移減小至最小。

下游方向的位移隨著填筑層數(shù)的增加逐漸上升，并且壩體填筑完成開始蓄水時，隨著水位的上升，下游方向的位移上升的速度大幅減緩，表明下游方向的位移受水壓力的影響不大，在校核洪水位時位移上升至最大。

②筑壩過程中壩體及最大斷面沉降位移。由圖6可知，筑壩過程中，在自重荷載的作用下，在筑壩前期，壩體沉降主要發(fā)生在壩體底部。隨著筑壩高度的增加，由于主堆石區(qū)與次堆石區(qū)材料物理性質(zhì)的差異，壩體的沉降分布并非對稱，而是在壩體的中部次堆石區(qū)域沉降相對較大，且沉降在壩體中部最大處呈環(huán)帶狀，由內(nèi)至外逐漸減小，符合面板堆石壩的一般沉降規(guī)律。

分級加載中Y方向位移變化如圖7所示。由圖7可知，豎直方向的位移隨著填筑層數(shù)的增加逐漸上升，并且隨著填筑層數(shù)的增加上升速度逐漸減緩。在壩體填筑完成開始蓄水時，豎直方向的位移的變化幅度較小。這是因為壩體在填筑完成后，壩體只受自重影響，上部堆石體在豎直方向上對壩體下部施加重力作用，使其在水平方向產(chǎn)生明顯位移，開始蓄水后壩體下部在水平方向的位移受到一定程度的約束，這種約束對壩體上部堆石由于重力作用產(chǎn)生的下降起到了反向減弱作用，且這種反向減弱作用力約等于或者大于水壓豎直效應(yīng)，進而減小了壩體的進一步下降。

2.3.2 筑壩過程中壩體應(yīng)力分析。第10層壩體最大斷面拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分布如圖8、圖9所示。

研究發(fā)現(xiàn)，筑壩過程中，在自重荷載作用下，整個壩體基本處于受壓狀態(tài)，只在兩側(cè)壩坡處出現(xiàn)了極少量拉應(yīng)力。隨著筑壩高度的增加，壩體壓應(yīng)力也逐漸增加，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩體底部，壓應(yīng)力分布呈現(xiàn)條帶狀，由內(nèi)至外壓應(yīng)力逐漸減小。

分級加載過程中壩體應(yīng)力變化如圖10所示。由圖10可知，壩體的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力隨著填筑層數(shù)的增加而逐漸增大，符合壩體填筑的應(yīng)力變化的一般規(guī)律，說明模擬面板堆石壩的填筑過程是合理的。在壩體填筑完成開始蓄水時，壩體的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力變化幅度不大。

3 結(jié)語

本研究基于ANSYS有限元軟件對云南省某面板堆石壩的筑壩過程進行了模擬，通過對筑壩過程中壩體的應(yīng)力變形進行分析，發(fā)現(xiàn)在筑壩過程中隨著筑壩層數(shù)的增加，壩體的變形量逐步增加，但是在筑壩完成開始蓄水后壩體上游位移量在水壓力的作用下逐漸減少。同時，壩體的拉壓應(yīng)力隨著筑壩層數(shù)的增加而逐漸增加，在蓄水后應(yīng)力變化較小。

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