基于ANSYS的拱壩壩肩及壩基整體穩(wěn)定分析

丁澤霖，王 婧，黃德才

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011;2.貴州省黔西南州望謨縣水利局，貴州望謨 552300)

基于ANSYS的拱壩壩肩及壩基整體穩(wěn)定分析

丁澤霖1，2，王 婧1，黃德才2

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011;2.貴州省黔西南州望謨縣水利局，貴州望謨 552300)

結(jié)合拱壩壩肩與壩基的地形、地質(zhì)特征以及軟弱結(jié)構(gòu)面分布狀況，通過ANSYS軟件建立拱壩天然地基條件下的三維數(shù)值模型，并進(jìn)行超載法計(jì)算，分析壩體變形與應(yīng)變特征、壩肩和斷層的變位分布特征、壩肩的破壞形態(tài)和過程，得到整體穩(wěn)定超載安全系數(shù)，評(píng)價(jià)拱壩的安全度，為工程設(shè)計(jì)、施工和加固處理提供依據(jù).

拱壩;有限元;壩肩穩(wěn)定

拱壩是壩工建設(shè)中的一種主要壩型，它具有體積小、工程量省、泄洪布置方便、潛在安全度高、抗震性能好等特點(diǎn)，在壩型選擇中優(yōu)先考慮拱壩壩型已成為壩工建設(shè)中的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì).然而，我國(guó)近期在建或擬建的高拱壩，大多位于西部地區(qū)河流上［1］，其主要特點(diǎn)是山高谷深、河谷狹窄、地質(zhì)條件復(fù)雜、地震烈度高等，同時(shí)工程規(guī)模大，電站裝機(jī)容量、水庫(kù)庫(kù)容大，拱壩壩肩的穩(wěn)定問題十分突出，直接影響到工程的安全.因而需要深入開展復(fù)雜巖基上高拱壩壩肩穩(wěn)定性研究.非線性有限元法是解決上述問題的一種重要方法.

有限元法是把連續(xù)體離散成有限個(gè)單元，配合一定的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則分別計(jì)算每個(gè)單元中節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力及位移，分析連續(xù)體應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài).隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法逐漸成為了工程數(shù)值仿真的重要方法.在高壩壩基穩(wěn)定計(jì)算方面，由于有限單元法可以方便地模擬壩體、地基地質(zhì)復(fù)雜構(gòu)造和材料分區(qū)，能較清晰地模擬施工過程和加載順序，可進(jìn)行彈塑性、靜動(dòng)力分析，因此有限元法在高壩地基穩(wěn)定分析中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［2－4］.ANSYS軟件是一款集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，通過該軟件可以進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的有限元分析，可針對(duì)流體、電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等進(jìn)行模擬分析，并且可以達(dá)到一定程度的可信度［5］.筆者以復(fù)雜地基上的高拱壩壩肩穩(wěn)定性為研究對(duì)象，采用非線性有限元的ANSYS軟件，分析壩與地基整體穩(wěn)定性、變形失穩(wěn)過程以及破壞機(jī)理.

1 工程概況

某水電站攔河大壩為拋物線雙曲拱壩，壩頂高程為2 092 m，壩底高程為1 960 m，最大壩高為132 m.壩體采用二級(jí)配碾壓混凝土防滲，其內(nèi)部為三級(jí)配碾壓混凝土.C25碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 25.0 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 17.8 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 1.57 MPa;線膨脹系數(shù)取 1.0×10－5/℃，泊松比為 0.167，容重為 23.52 kN/m3.拱壩壩體幾何體形如圖1所示.

圖1 拱壩壩體幾何體形

樞紐區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，主要構(gòu)造形跡為不同規(guī)模的斷層和長(zhǎng)大裂隙.影響左壩肩的有斷層F10，f4，f5 和長(zhǎng)大裂隙帶 L1，L2，Lp285 等.影響右壩肩的有斷層F10，f4以及橫切整個(gè)山谷的層間剪切帶 fj1，fj2，fj3，fj4.主要裂隙面及軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)見表1，軸線工程地質(zhì)剖面如圖2所示.

表1 壩址區(qū)結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)地質(zhì)建議值

圖2 水電站壩軸線工程地質(zhì)剖面圖

2 有限元模型建立

拱壩三維有限元計(jì)算模型模擬范圍為:以河床壩底中心為基準(zhǔn)，向上游延伸200 m，約1.5倍壩高;向下游延伸300 m，約2.3倍壩高;建基面向壩下延伸300 m，約2.3倍壩高;從左岸壩肩算起，向外延伸150 m，約1.2倍壩高;從右岸壩肩算起，向外延伸150 m，約1.2倍壩高.模型中對(duì)右壩肩及抗力體需重點(diǎn)模擬各類巖體及斷層f4，f5，層間剪切帶fj1，fj2，fj3，fj4等控制壩肩穩(wěn)定的主要控制因素;對(duì)左壩肩及抗力體需重點(diǎn)模擬各類巖體及斷層f4，f5，長(zhǎng)大裂隙 L1，L2，Lp285，層間剪切帶 fj1，fj2，fj3，fj4等控制壩肩穩(wěn)定的主要控制因素.

模型的單元剖分在ANSYS軟件中進(jìn)行，壩體采用Solid 65單元，巖體采用Solid 45單元，整個(gè)模型的離散單元總數(shù)為34 826個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15 362個(gè)(其中壩體1 392個(gè)).拱壩整體及壩體有限元網(wǎng)格如圖3所示.

圖3 拱壩整體與壩體有限元網(wǎng)格

計(jì)算采用的是彈塑性材料模型，屈服準(zhǔn)則采用D－P準(zhǔn)則.模型兩岸邊界垂直河向約束，底面為三向固定約束，上、下游邊界順河向約束.計(jì)算中采用的直角坐標(biāo)為:X軸方向垂直于水流方向，以向左岸為正;Y軸方向平行于水流方向，以向下游為正;Z軸方向?yàn)楦叨确较?，向上為?

計(jì)算工況為正常蓄水位+淤沙+自重，研究壩與地基在正常運(yùn)行狀態(tài)下的工作性態(tài)及超載特性.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 壩體位移分布特征

壩體上部位移大于下部位移，拱冠位移大于拱

圖8給出了壩體最大順河向位移與超載倍數(shù)關(guān)系曲線.由圖8可以看出:壩體頂部位移發(fā)展較底部增長(zhǎng)快一些，在Kp=6.6之后出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn);最大順河向位移亦在Kp=6.6后出現(xiàn)了拐點(diǎn);到10倍荷載后，計(jì)算不再收斂.

圖8 壩體最大位移、壩頂位移與超載系數(shù)關(guān)系曲線

3.2 壩肩(基)超載特性及破壞模式和破壞機(jī)理

應(yīng)用非線性有限元計(jì)算和分析壩肩抗力體對(duì)穩(wěn)定性的影響，主要考慮建基面及壩肩、壩踵及壩趾的端位移，拱冠上部位移大于下部位移，徑向位移大于切向位移.壩體位移總體上對(duì)稱性較好.壩體徑向變位整體趨向下游，最大徑向變位出現(xiàn)在拱冠梁頂部，超載系數(shù)Kp=1.0時(shí)，其值為59.6 mm，隨著超載倍數(shù)增加，最大順河向位移由壩頂移至拱壩中上部.圖4—7為各超載條件下壩體下游面順河向變位圖.塑性破壞.圖9—19為不同超載系數(shù)下壩肩塑性區(qū)破壞圖及各典型高程壩肩破壞平切圖.由圖可知:①當(dāng)Kp=1.0時(shí)，斷層f5、層間剪切帶fj1—fj4出現(xiàn)少量塑性破壞區(qū)，壩肩及建基面沒有出現(xiàn)塑性區(qū)，各典型高程壩踵出現(xiàn)少量塑性區(qū);②當(dāng)Kp=1.2～2.0時(shí)，斷層f5、層間剪切帶fj1—fj4塑性破壞區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，壩肩壩基也出現(xiàn)小面積塑性破壞區(qū).壩踵和壩基淺層拉剪破壞區(qū)顯著加大，范圍擴(kuò)展至1 950 m高程.各典型高程壩肩上游壩踵巖體有塑性區(qū)產(chǎn)生并向上游擴(kuò)展;③當(dāng)Kp=3.0～4.0時(shí)，壩基塑性破壞區(qū)完全貫通，并繼續(xù)向上下游擴(kuò)展，建基面中心線40%處于塑性狀態(tài)，各典型高程壩肩上游壩踵巖體塑性區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，并與下游結(jié)構(gòu)面相互貫通;④當(dāng)Kp=7.0時(shí)，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，壩肩壩基塑性區(qū)完全貫通，建基面中心線幾乎全部處于塑性狀態(tài)，壩肩巖體全部處于塑性狀態(tài)，fj3，fj4上下游出露部分全部貫通，各典型高程壩肩下游壩趾巖體出現(xiàn)塑性區(qū)，并與壩踵塑性區(qū)貫通，壩與地基整體喪失承載能力.

圖19 Kp=7.0時(shí)高程為2 030 m平切面塑性區(qū)破壞

4 結(jié)語(yǔ)

筆者采用有限元方法，針對(duì)復(fù)雜巖基上高拱壩壩肩穩(wěn)定問題，開展三維有限元拱壩整體穩(wěn)定研究，分析了壩肩穩(wěn)定及破壞失穩(wěn)機(jī)理，為工程設(shè)計(jì)、施工和加固處理提供了科學(xué)依據(jù).得到結(jié)論如下.

1)壩體徑向變位整體趨向下游，最大徑向變位出現(xiàn)在拱冠梁頂部.隨著超載倍數(shù)增加，最大順河向位移由壩頂移至拱壩中上部，最大順河向位移在Kp=6.6后出現(xiàn)了拐點(diǎn)，到10倍荷載后計(jì)算不再收斂.

2)左岸中上部破壞較為嚴(yán)重，右岸中下部產(chǎn)生破壞，左岸塑性破壞區(qū)比右岸大，建基面的塑性區(qū)從左岸擴(kuò)展至右岸，并與壩肩塑性區(qū)完全貫通，建基面在拱壩軸線上游側(cè)塑性破壞嚴(yán)重而下游側(cè)幾乎沒有，拱冠梁壩踵處出現(xiàn)大面積塑性區(qū).

3)各結(jié)構(gòu)面在出露處及附近巖體破壞嚴(yán)重，其中影響左壩肩穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面是f5，f4，Lp285，L2，fj2，fj3，fj4，影響右壩肩穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面是 f4，fj3，fj4.因此，建議工程上對(duì)壩肩破壞嚴(yán)重部位進(jìn)行適當(dāng)加固處理.

［1］苑寶軍，張玉文.加快四川水電建設(shè)打造中國(guó)水電基地［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006，12(2):118 －120.

［2］Boulon M，Alachaher A.A new incrementally nonlinear constitutive law for finite element applications in geomechanics［J］.Computers and Geotechnics，1995，17(2):177－201.

［3］陳勝宏，汪衛(wèi)明.小灣高拱壩壩踵開裂的有限單元法分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2003(1):66－71.

［4］楊強(qiáng)，吳浩，周維垣.大壩有限元分析應(yīng)力取值的研究［J］.工程力學(xué)，2006，23(1):69 －72.

［5］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

Stability Analysis of Foundation and Abutment of Arch Dam Based on ANSYS

DING Ze-lin1，2，WANG Jing1，HUANG De-cai2
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Water Conservancy Bureau of Wangmo County，Wangmo 552300，China)

According to the topographical，geological features，the distribution of weak structure of the arch dam，a three-dimensional numerical model of arch dam under the natural foundation conditions is established by ANSYS software.Using overloaded method，which can analyze and calculate the displacement of the dam and abutment，the relative displacement of weak structure plane，and the failure pattern and process of the dam and abutment just as in the model test，the overload coefficient of overall stability is obtained.It can evaluate the safety of arch dam.The results have provided the important scientific basis for the design，construction and reinforcement of the project.

arch dam;finite element method;abutment stability

1002－5634(2012)03－0004－05

2012－04－05

丁澤霖(1983—)，男，滿族，遼寧鳳城人，講師，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程方面的研究.

(責(zé)任編輯:喬翠平)