材料滲變效應(yīng)下的面板壩靜力有限元分析

陳 微

(方正縣雙鳳水庫綜合服務(wù)中心，黑龍江 方正 150800)

1 緒 論

混凝土面板壩設(shè)計(jì)時(shí)，主要對壩體、面板的變形分布，施工縫的的拉伸壓縮量進(jìn)行重點(diǎn)預(yù)測分析，從而作為壩體設(shè)計(jì)施工、安全運(yùn)行提供有利的理論支撐。現(xiàn)代混凝土面板壩壩體結(jié)構(gòu)主要包含混凝土面板、墊層料、過渡料、堆石區(qū)等部分，主要防滲體系為面板與趾板和防滲墻，而堆石區(qū)支撐和保護(hù)面板壩，其合理模擬將直接影響著壩體結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此若能充分考慮材料流變作用[1]，合理的進(jìn)行有限元模擬分析，對研究高面板砂礫石材料滲變效應(yīng)下的靜力計(jì)算具有非常重要的理論指導(dǎo)意義。

2 施工及蓄水模擬步驟

面板砂礫石壩的施工模擬時(shí)選取一定厚度的填筑碾壓層作為一級加載，當(dāng)施工至第n層時(shí)，將砂礫石料自重荷載定義為瞬時(shí)荷載加載到n-1層，其上部結(jié)構(gòu)不受影響，通過施工步數(shù)的增疊加，逐漸實(shí)現(xiàn)壩體分層施工過程。

ADINA軟件中使用分期蓄水對應(yīng)不同高程來控制模擬蓄水過程：①第1期蓄水在模型相應(yīng)水位加載水荷載；②第2期蓄水在第1、2期蓄水位間面板處加載水荷載，同樣以此類推[2]。水荷載逐級加載示意圖，見圖1。

圖1 水荷載逐級加載示意圖

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水利樞紐位于中國西北青海省內(nèi)[3]，工程規(guī)模為大(2) 型，水庫總庫容1.85億m3，水電站總裝機(jī)18MW。大壩最大高度為123.8m，壩頂高程2891.3m，正常蓄水位為2883.6m，壩頂長442m，寬14m，上游壩坡1∶1.55，下游壩坡1∶1.5。樞紐建筑物主要由面板壩、引水發(fā)電洞、溢洪道以及電站等組成。

3.2 有限元模型

該面板壩有限元范圍定義為：豎直向至大壩基巖面，左右至壩體兩岸的基巖面，水平向上游取至趾板，下游取一倍壩高。壩基底部施加固定鉸約束，兩岸和岸坡施加法向約束[4]。面板砂礫石壩三維有限元模型，見圖2。

圖2 面板砂礫石壩三維有限元模型

面板壩數(shù)值模型剖分主要采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元，模型共計(jì)剖分實(shí)體單元5782個(gè)，接觸面單元313個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)6716個(gè)。材料分區(qū)按大壩斷面按設(shè)計(jì)材料分區(qū)為5個(gè)區(qū)，并且在下游面板與墊層料間設(shè)置面—面接觸[5]。大壩填筑料的E-B模型參數(shù)，見表1。

表1 大壩填筑料的E-B模型參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果

在大壩靜力有限元模擬中，壩體填筑、面板澆筑和蓄水過程總共分15步進(jìn)行仿真模擬，前13步模擬大壩填筑到頂高程2893.8m，第14步模擬面板澆筑至2889.0m，第15步模擬壩體蓄水至正常高水位2886.4m?？⒐て趬误w豎向位移等值線圖，見圖2；竣工期壩體水平位移等值線圖，見圖3；竣工期壩體水平位移等值線圖，見圖4；竣工期壩體豎向位移等值線圖，見圖5。

圖2 竣工期壩體豎向位移等值線圖

圖3 竣工期壩體水平位移等值線圖

圖4 竣工期壩體水平位移等值線圖

圖5 竣工期壩體豎向位移等值線圖

大壩變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表2。

表2 大壩變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從以上有限元計(jì)算結(jié)果可以總結(jié)出：壩體竣工期的最大豎向位移為0.369m，大致位于橫斷面的1/2處，蓄水后因水荷載作用，位移值增大到0.393m，較前者約增加6.76%，整體分布規(guī)律和前者大致相似。大壩最大沉降量位于1/2河谷處。大壩竣工期水平向上游位移為0.124m，水平向下游為0.112m，基本出現(xiàn)在壩坡內(nèi)側(cè)的偏下部。蓄水期大壩水平向向上游位移0.065m，向下游0.124m，對比竣工期明顯位移變化值增大，位移等值線圖的整體變化趨向下游，分析是因?yàn)樗畨毫奢d所致。不同工況下的大壩堆石體沿壩軸向位移均指向河谷中央，分布規(guī)律較為相似，因大壩右岸較陡，其位移量相對于左岸有所增加。

3.4 壩體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

竣工期壩體大主應(yīng)力等值線圖，見圖6；竣工期壩體小主應(yīng)力等值線圖，見圖7。

圖6 竣工期壩體大主應(yīng)力等值線圖

圖7 竣工期壩體小主應(yīng)力等值線圖

從以上有限元結(jié)果圖可以看出：竣工期大壩剖面大主應(yīng)力最大值為2.628MPa，蓄水后其值變化為2.779 MPa，增大6.3%；竣工期壩體小主應(yīng)力最值為1.093 MPa，蓄水期為1.236 MPa，增加了11.5%。對比分析認(rèn)為蓄水后壩體的主應(yīng)力基本呈上升趨勢，但變化規(guī)律基本一致，最大值均出現(xiàn)在大壩下部壩軸線附近，壩體中部小主應(yīng)力分布較少。同時(shí)，因上游庫水壓力作用，大壩上游部分壩坡的應(yīng)力值有所增加。

4 結(jié) 論

文章基于材料滲變效用的基本原理，結(jié)合實(shí)際工程建立三維有限元模型，計(jì)算壩體材料在滲變效用下的應(yīng)力變形，結(jié)果表明在低面板壩中，流變變形效用較小，可以不考慮。在高面板壩中堆石料的流變效應(yīng)對壩體和面板的應(yīng)力變形影響較大，設(shè)計(jì)研究時(shí)應(yīng)選用合理的流變本構(gòu)模型，對材料的流變變形發(fā)展進(jìn)行重點(diǎn)分析，進(jìn)而在工程設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的措施，這對工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的提高具有長遠(yuǎn)意義。