面板堆石坝应力变形动力有限元分析研究

吴永飞

(沈阳市苏家屯区农业技术推广与行政执法中心，沈阳 110101)

1 绪 论

面板坝在中国坝工设计中占有一定比重，在强震区的面板坝应力变形研究十分重要，对大坝的安全稳定运行意义重大。因现行对于高面板坝的实际震害资料匮乏，基本振动台试验模型[1]研究中的动力特性较少开始不久，客观准确研究大坝动力变形有一定难度。通常混凝土面板堆石坝地震动力分析以静力计算为基础，模拟动荷载加速度作用下大坝受力变形，该方法中的应力分布特点、参数选取、接触面迷你等问题有待于进一步研究和探索。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽工程规模为Ⅰ等大(1)型，枢纽主要是以供水为主，兼具生态灌溉和发电功效。该工程总库容11.35亿m3，正常蓄水位为877.0m，坝顶高程为884m，最大坝高156m，电站装机容量84万kW。大坝基本设防烈度为8°[2]。枢纽建筑物主要为拦水坝、泄洪洞、引水隧洞和厂房等，面板堆石坝标准剖面，见图1；坝体三维有限元模型，见图2。

图1 某混凝土面板坝标准剖面图 图2 坝体三维有限元模型

2.2 本构模型与计算参数

坝体堆石料参数采用室内三轴试验[3]和相关工程经验[4]得来，坝体邓肯E-B模型材料参数表见表1；堆石料动剪切模量系数及指数值，见表2。

表1 坝体邓肯E-B模型材料参数表

表2 堆石料动剪切模量系数及指数值[5]

2.3 计算结果

2.3.1 坝体应力和变形

给定坝体代表节点和单元的反应时程，节点A高程为842m，体中节点A水平顺河向和竖向的加速度反应时程曲线，见图3；坝体顺河向最大反应加速度分布图，见图4；坝体最大竖向反应加速度分布图，见图5。

图3 节点A加速度反应时程曲线

图4 坝体顺河向最大反应加速度分布图

图5 坝体最大竖向反应加速度分布图

由图可知，顺河向坝体最大加速度反应显著，顺河向最大加速度为8.64m/s2，放大倍数2.15，出现于坝顶下游附近位置。坝体最大竖向加速度为3.92m/s2，放大倍数1.45。下游反应程度明显>上游，对比可知水平向加速度比竖向反强烈。

典型单元a最大动剪应力时程分布，见图6；坝体最大动剪应力分布图，见图7，可得该最大动剪应力为785.3kPa。

图6 典型单元a最大动剪应力时程分布

图7 坝体最大动剪应力分布图

2.3.2 面板变形和应力

地震作用下面板挠度等值线图，见图8；地震作用下面板轴向位移等值线图，见图9。面板最大动压应力图，见图10；面板最大动拉应力图，见图11。

图8 地震作用下面板挠度等值线图

图9 地震作用下面板轴向位移等值线图

由图对比可得，地震荷载作用下的面板挠度最大挠度为24.52cm，左岸7.46cm，右岸为7.18cm，等值线分布未受影响，说明在弹模较大的上游坝表上浇筑面板后，地震未引起大坝较大变形，故面板形变较小。

图10 面板最大动压应力图

图11 面板最大动拉应力图

三维动力有限元计算结果汇总见表3。

表3 大坝动力有限元计算结果

3 结 论

文章在有限元基本原理和动力分析基础上，结合实际工程建立三维有限元模型，对面板堆石坝进行动力有限元分析，计算得到大坝在不同地震加速度下的大坝变形和动剪应力结果，面板变形位移和顺河向应力、轴向应力结果，通过应力变形计算结果表明该面板堆石坝坝体和面板设计合理，运行安全可靠。