深厚覆盖层面板堆石坝应力变形有限元分析

陈文元

(青海省水利水电勘测设计研究院，青海 西宁 810000)

1 概述

混凝土面板堆石坝(Concrete Face Rock-fill Dam)最初发源于美国，至今有100多年历史[1]。由于其适于修建在山谷、对环境的适用性较强、可以就地取材、施工速度也比较快等优点被广泛应用。

在实际运行中坝体和面板的安全运行问题一直是研究的重点[2]，在高寒高海地区体现的尤为明显。我们国家对面板堆石坝的研究起步较晚，但是进步特别快[3- 4]。在实际运行中，大坝的安全和稳定受众多因素影响，不同的学者进行了相关的研究[5]。不同地势的压力不同，对坝体和面板产生的影响也会不同，同样覆盖层对于大坝的面板和坝体也会有一定的影响[6]。温度也是大坝一个很重要的影响因素[7- 8]，高寒地区的温度变化对大坝的安全运行影响很大。

本文主要针对高寒高海拔地区，采用ANSYS对深覆盖层面板堆石坝在正常蓄水运行期内的不同部位的应力变形特性进行研究。

2 模型建立

以某高寒高海拔地区的水库为工程背景进行研究。水库主要建筑物由挡水大坝、导流洞、泄洪洞、放水洞等组成。坝顶高程为2941.62m，正常蓄水位为2938.98m，总库容为1.1×107m3，坝趾两侧呈现“V”字形。正常蓄水期是坝体承受的荷载主要为自重和水压力。

在进行有限元计算时需要进行本构模型的选择，目前常见比较可靠的模型有Duncan Chang的双曲线模型及E-B模型、非线性耦合K-G模型、以及改进的Naylor K-G模型等，本文碎石采用Duncan Chang的E-B模型。混凝土面板采用比较成熟的线弹性模型[9- 10]。对于坝体面板和上面的碎石之间的接触面采用抗剪薄面，采用双曲线模型。

ANSYS作为广泛使用的有限元软件，可以很好的满足我们的需求。荷载在计算过程中采用逐级施加的原则。坐标系采用常见的笛卡尔坐标系，顺水流向为X方向；垂直方面方位Y方向；顺着坝轴线方向为Z方向。坝体的不同区域材料不同进行对应的设置，具体参数见表1。水容重大小是按照9.81kN/m3来设置，混凝土自重为25kN/m3。

在接触面采用面-面分析，使用Conta174单元，对于混凝土采用Solids 64单元，采用SWEEP扫略法以面板为初始断面进行划分，模型总体单元数为32656个，节点数为33692个。为方便计算选取基岩高度为一倍的坝高。在计算之前进行边界条件的

表1 材料参数

设置，在基岩底部设置为全约束，坝体与两岸的接触部位设置水平方向的约束，在竖直方向不对设置，这样更符合实际运行。大坝有限元模型如图1所示。为了更细致的研究坝体的应力变形，对坝体进行剖分选取典型断面如图2所示，典型断面横剖面图如图3所示。

图1 大坝有限元模型

图2 大坝典型断面位置图

图3 典型断面横剖面图

3 应力变形分析

3.1 坝体应力分析

对正常蓄水期坝体不同位置典型断面的第一主应力和第三主应力进行分析，如图4—5所示。

从图4可知，拉应力主要分布在坝体上侧，随着高程的降低逐渐变化为压应力，且压应力逐渐增大。第一主应力最大值主要出现在上游坝体与覆盖层接触的坝顶附近。在坝体不同剖面上第一主应力分布基本相似，但是第一主应力最大值存在区别，F1、F2、F3三个剖面的最大拉应力分别为0.024、0.023、0.019MPa，最大拉应力均出现在上游坝趾附近。三个剖面的最大压应力分别为2.21、2.14、1.67MPa，均出现在坝体与基岩基础的中间位置处。

从图5可知，第三主应力的应力分布与第一主应力分布类似，随着高程降低拉应力逐渐减小，压应力逐渐增大。最大拉应力和最大压应出现在位置与第一主应力相同。最大压应力分别为3.68、3.59、2.92MPa。第三主应力总体呈现对称分布，稍微偏向上游。

图4 坝体典型断面第一主应力

图5 坝体典型断面第三主应力

图6 坝体典型断面纵向位移

图7 坝体典型断面垂向位移

3.2 坝体位移分析

坝体纵向位移和垂向位移计算云图分别如图6—7所示。

由图6可知，坝体纵向位移整体上由坝中心位置向两侧大致对称分布，下游位移大小为正值，向下游移动；上游坝体位移为正值，向上游移动。F1、F2、F3三个剖面上游的最大纵向位移分别为11.6、11.3、8.7cm，出现位置为上游坝踵与基岩交接处正下方35m附近位置处；下游最大纵向位移分别为14.2、13.7、9.7cm，出现在下游坝趾与基岩交接处靠上游30m位置处附近。

由图7可知，坝体的垂向位移整体是垂直向下移动。坝体最大位移出现在坝体与覆盖层交接处，F1、F2、F3三个剖面的最大垂向位移分别为：66.1、64.5、48cm。说明最大位移出现在坝体中间位置。

3.3 面板应力分析

面板应力变化云图如图8所示，位移变化云图如图9所示。

图8 面板应力分布云图

由图8(a)可知，混凝土面板应力分布主要为压应力，拉应力主要出现在坝顶和岸坡附近。较大压应力出现在底部，且均在混凝土受压强度范围内。拉应力最大值为1.84MPa，也在承受范围内。根据图8(b)可知，面板呈现双向受压、局部受拉状态。最大压应力为14.9MPa，拉应力在混凝土的承受范围之内。

图9 面板位移分布云图

由图9可知，在正常蓄水运行时，面板纵向位移最大值出现在面板中间位置，出现脱空现象。中间向下游移动，移动位移大小为7.8cm，上下两侧向上游移动，移动位移大小为1.0cm。在垂向上，面板整体垂直向下，最大位移出现在面板中间位置，大小为17.5cm。

4 结论

(1)坝体各部分整体应力分布趋势一致。由坝体中间位置向两侧最大拉应力逐渐减小，减小幅度为2.5%、20%。最大压应力向两侧同样逐渐减小，减小幅度为2.4%、20.7%。

(2)坝体在上游侧坝趾附近向上游移动，最大位移出现在坝趾正下方35m处；下游侧向下游移动，最大位移出现在坝趾靠上30m位置附近。在垂向上最大位移出现在坝体与堆石交接处。

(3)混凝土面板面板整体呈现受压状态，最大拉应力为1.8MPa，满足抗拉强度需求。面板最大位移出现在面板中心位置附近，容易出现脱空现象。

综合考虑，建议在高寒高海拔地区加强对面板中心位置的检测和维护。