新發(fā)水庫重力壩三維有限元仿真分析

王新偉，劉毅樂，賈小強

（1.畢節(jié)市勘測設(shè)計研究院，貴州 畢節(jié) 551700；2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081）

水工設(shè)計

新發(fā)水庫重力壩三維有限元仿真分析

王新偉1，劉毅樂1，賈小強2

（1.畢節(jié)市勘測設(shè)計研究院，貴州 畢節(jié) 551700；2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081）

結(jié)合工程實例，采用三維有限元軟件（ANSYS）對重力壩在3種工況下的應(yīng)力應(yīng)變進行了分析。計算結(jié)果表明：壩體的應(yīng)力分布符合有限元計算的一般規(guī)律，反映了重力壩的實際應(yīng)力分布情況，驗證了方案的可行性，為該重力壩的設(shè)計提供依據(jù)。運用有限元軟件（ANSYS）對重力壩應(yīng)力應(yīng)變進行計算可節(jié)約時間，提高工作效率，具有較大的實用價值。

新發(fā)水庫；重力壩；有限元；應(yīng)力；應(yīng)變

重力壩是水工建筑中廣泛采用的壩型之一，其基本形狀呈三角形，上游面鉛直或稍傾向上游，壩底與基巖固結(jié)，建成擋水后依靠自重維持穩(wěn)定，故稱重力壩。20世紀(jì)50年代以來，我國陸續(xù)建成了一大批重力壩，對其研究和探索也越來越廣泛和深入。

目前，重力壩的應(yīng)力分析方法可以歸納為理論計算和模型試驗兩大類，兩類方法彼此補充、相互驗證，其結(jié)果都要受到原型觀測的檢驗。壩體應(yīng)力計算，對中等高度的重力壩可采用材料力學(xué)法，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜和復(fù)雜地基上的中、高壩用線性或非線性有限元計算，必要時以結(jié)構(gòu)模型試驗復(fù)核。有限元法在力學(xué)模型上近似，在數(shù)學(xué)解法上嚴(yán)謹(jǐn)，由于其使用方法靈活，適用范圍廣泛，能夠進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，自20世紀(jì)60年代末被用于重力壩應(yīng)力分析后，迅速發(fā)展成為壩工設(shè)計和科研的一項重要手段。本文采用有限元法對新發(fā)水庫重力壩進行應(yīng)力分析。

1 基本資料

威寧縣地處貴州西部，是貴州面積最大、海拔最高、人口眾多的縣，轄35個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積6298km2，平均海拔2200m，新發(fā)水庫位于威寧縣西北面的玉龍鄉(xiāng)新發(fā)村，水庫樞紐位于牛欄江的二級支流曹家河溝上，屬長江流域金沙江水系。曹家河發(fā)源于威寧縣玉龍鄉(xiāng)新發(fā)村的大黑山，河源高程2265m。壩址距新發(fā)村1.1km，距玉龍鄉(xiāng)政府15km，距威寧縣城104km。

新發(fā)水庫是以灌溉及灌區(qū)農(nóng)村人畜飲水為供水任務(wù)的綜合性水庫，灌區(qū)主要種植烤煙、玉米等農(nóng)作物，設(shè)計灌溉面積1220hm2。壩址處多年平均入庫徑流量246萬m3，設(shè)計保證P=80%的灌溉用水量為63.3萬m3，興利庫容14.5萬m3，總庫容29.5萬m3。

新發(fā)水庫壩址位于新發(fā)村以東，壩址以上集水面積13.5km2，主河道長4.8km，平均坡降10.59%，流域形狀系數(shù)0.586，幾何特征值5.29。根據(jù)SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模屬?。?）型，大壩、溢洪道、取水建筑物、放水建筑物等主要建筑物為5級，該工程無次要建筑物，臨時性建筑物為5級。大壩為砌石重力壩，最大壩高30.20m，壩頂長104.50m，壩頂寬3m，最大壩底寬25.55m。壩頂高程為1710.20m，大壩上游面垂直，下游面在1707.00m高程以上垂直，以下以1∶0.75放坡。大壩底部河床部位及兩岸坡設(shè)1m厚C15混凝土墊層，上下游面為40cm厚M10水泥砂漿砌C15混凝土預(yù)制塊，上游面預(yù)制塊后為0.5m厚C20混凝土防滲墻，中部為C10細(xì)石混凝土砌毛石。壩頂上游面設(shè)置1.2m高防浪墻，下游面設(shè)置1.2m高欄桿。

2 計算參數(shù)及計算工況

2.1 計算參數(shù)

根據(jù)地表地質(zhì)勘察，壩址河床分布有沖積砂卵石層（Q），厚度0～0.5m，分疊性差，結(jié)構(gòu)松散，兩岸第四系覆蓋層為殘坡積層（Q），成份為粘性土夾風(fēng)化巖屑、巖塊等，厚度0～4m不等；壩址基巖為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P2β）玄武巖。

工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，能滿足工程建設(shè)需要，相應(yīng)地震基本烈度Ⅶ度，屬中硬場地穩(wěn)定地質(zhì)環(huán)境。

根據(jù)巖體勘探及取樣室內(nèi)試驗成果，參照并結(jié)合有關(guān)工程經(jīng)驗和設(shè)計規(guī)范，水庫壩址區(qū)的巖體部分物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)建議取值如表1。

表1 壩址巖體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)取值

根據(jù)試驗和規(guī)范及相關(guān)工程經(jīng)驗類比得出：①黏土：容重17kN/m3，內(nèi)摩擦角12°，內(nèi)聚力0.03MPa，承載力標(biāo)準(zhǔn)值150kPa；②沙卵石層：容重20kN/m3，浮容重8～10kN/m3，內(nèi)摩擦角17°，內(nèi)聚力0.03MPa，承載力標(biāo)準(zhǔn)值200kPa；③淤沙：容重13～14kN/m3，浮容重8～10kN/m3，內(nèi)摩擦角8°；④壩體：彈模5GPa，容重23kN/m3，強風(fēng)化玄武巖抗沖刷系數(shù)1.5，弱風(fēng)化玄武巖抗沖刷系數(shù)1.2。

2.2 計算工況

根據(jù)SL319—2005《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》，重力壩應(yīng)力分析時的荷載組合分為基本組合和特殊組合，各種計算工況及其荷載組合如表2。

表2 計算工況及其荷載組合

3 仿真分析

3.1 基本計算假定

（1）壩基巖體和壩體是均勻、各向同性的彈性體，即認(rèn)為從壩基或壩體內(nèi)任一點處取出單元體積，能代表整個壩體或壩基的力學(xué)性能。

（2）壩基巖體和壩體均為各向同性線彈性材料。

（3）山體除與壩體接觸一側(cè)是自由以外，其他方向為法向連桿約束，壩基底部為三向約束。

3.2 模型的建立

建立重力壩的實際模型比較困難，本文在建立應(yīng)力分析模型時，采用了簡化的方法，建立了重力壩的簡化模型，這樣做可以滿足計算精度的要求，且節(jié)約時間，提高工作效率。

重力壩的應(yīng)力分析有限元模型由壩體和基巖組成，本文基巖的計算范圍采用壩基底下、左右岸、上下游分別向外延伸2倍壩高。

3.3 網(wǎng)格劃分

在有限元分析軟件ANSYS中，網(wǎng)格劃分有自由網(wǎng)格（Free Meshing）劃分和映射網(wǎng)格（Mapped Mesh-ing）劃分兩種方式。其中映射網(wǎng)格劃分可根據(jù)不同的網(wǎng)格劃分密度滿足壩基和壩體不同部位對計算精度的要求，故本次采用映射網(wǎng)格劃分對壩基和壩體進行劃分。壩體網(wǎng)格劃分密度較大，壩基較小；距離壩體較近部位的網(wǎng)格劃分密度大，距離壩體較遠(yuǎn)部位的網(wǎng)格劃分密度小。

在網(wǎng)格劃分中，壩體網(wǎng)格選用了計算精度高的Solid65單元，壩基選用了精度較低的Solid45單元，這樣既滿足了計算精度的要求，又節(jié)約了時間，提高了計算效率。

整個計算域共剖分1632個單元，其中壩體單元1152個，網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 網(wǎng)格劃分圖

4 計算成果分析

對3種在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變進行了分析。各工況下壩體應(yīng)力和變形計算結(jié)果如圖2～圖3（圖中應(yīng)力以壓為正，拉為負(fù)）。結(jié)果分析如表3～表4。

通過計算結(jié)果得出：工況3（校核洪水位）是壩體應(yīng)力和位移的控制工況。重力壩在3種工況下，有限元應(yīng)力計算結(jié)果符合重力壩受力的一般規(guī)律；3種工況的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律相同。

從表3看出：各工況下壩體的最大壓應(yīng)力均小于混凝土的允許壓應(yīng)力，壩體上游面出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但不超過混凝土的容許拉應(yīng)力，滿足規(guī)范對有限元應(yīng)力計算結(jié)果的要求。

從表4看出：各工況下壩體的最大變形出現(xiàn)在壩頂中部，從壩頂中部向兩壩肩及壩底逐漸減小，最小變形出現(xiàn)在兩壩肩及壩體底部，符合重力壩變形的一般規(guī)律。

圖2 各工況下壩體順河流方向應(yīng)力計算結(jié)果

圖3 各工況下壩體順河流方向變形計算結(jié)果

表3 壩體應(yīng)力計算成果單位：kPa

表4 壩體變形計算成果單位：m

5 結(jié)語

（1）壩體應(yīng)力在各工況下的計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，壩體的絕大部分呈受壓狀態(tài)，并且壩體的應(yīng)力分布符合重力壩受力的一般規(guī)律。

（2）各工況下壩踵與基巖交界處均出現(xiàn)了局部拉應(yīng)力區(qū)，這是由于在兩種材料交界處應(yīng)力集中造成的，不符合工程實際，需要進行有限元等效應(yīng)力計算。

（3）各工況下，重力壩的結(jié)構(gòu)變形較小，結(jié)構(gòu)應(yīng)變滿足正常運用要求。

（4）壩體的變形符合結(jié)構(gòu)受力的一般規(guī)律。

［1］畢節(jié)市勘測設(shè)計研究院.威寧縣玉龍鄉(xiāng)營寨片區(qū)煙水配套工程實施方案［R］.2010.

［2］韋山紅.基于ANSYS的重力壩應(yīng)力分析［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2013.

［3］溫中華，李欣.重力壩三維有限元分析［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010.

［4］SL319—2005，混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］SL25—2006，砌石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］李圍，葉裕明，劉青山，等.ANSYS土木工程應(yīng)用實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［7］馬文英，劉建中，李顯軍.水工建筑物［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003.

The finite element simulation analysis of Xinfa gravity dam

WANG Xin-wei1，LIU Yi-le1，JIA Xiao-qiang2
（1.Bijie City Survey Design and Research Institute，Bijie 551700，China；2.PowerChina GuiyangEngineering CorporationLimited，Guiyang 550081，China）

Combined with practical engineering，we analyzed the stress and strain under 3 working conditions of gravity dam by the finite element software（ANSYS）.The results show that the stress distribution of the dam body accordswith the general rules of FEM（finite elementmethod）and reflects the actual stress distribution of gravity dam，the result validated the feasibility of the project and provided the basis for the design of the gravity dam.The stress and strain of gravity dam was analyzed using finite element software（ANSYS）not only can improve calculating speed，but also can increase efficiency greatly，which will has a high practical value.

Xinfa reservior；gravity dam；FEM；stress；strain

TV222

B

1672-9900（2015）01-0042-04

2014-11-24

王新偉（1983-），男（漢族），陜西西安人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作，（Tel）15338570821。