葠窩水庫(kù)擋水壩段的有限元平面模擬分析

王阿敏，賈慶穩(wěn)，馬 艷，鄭小瓊

（1.遼寧省供水局，沈陽(yáng) 110003；2.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006；3.西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710065；4.廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院，廣州 510540）

技術(shù)論壇

葠窩水庫(kù)擋水壩段的有限元平面模擬分析

王阿敏1，賈慶穩(wěn)2，馬 艷3，鄭小瓊4

（1.遼寧省供水局，沈陽(yáng) 110003；2.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006；3.西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710065；4.廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院，廣州 510540）

文章以葠窩水庫(kù)擋水壩段為研究對(duì)象，對(duì)老壩即建成之初工況進(jìn)行了有限元平面模擬，通過(guò)周密詳盡的計(jì)算，結(jié)論與實(shí)際情況符合，為擋水壩的安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的參考依據(jù)。

葠窩水庫(kù)；擋水壩；有限元；平面模擬分析

葠窩水庫(kù)是“文革”期間比較有代表性的病壩之一，在當(dāng)時(shí)由于受到了政治環(huán)境和技術(shù)的限制，壩體在施工過(guò)程當(dāng)中留下了較多的質(zhì)量問(wèn)題，曾被評(píng)為中國(guó)最危險(xiǎn)的43座大型病險(xiǎn)水庫(kù)之一。鑒于此，筆者通過(guò)進(jìn)行有限元平面模擬分析，不僅能夠?yàn)樗畮?kù)擋水壩段的安全性評(píng)價(jià)提供重要的數(shù)據(jù)參考，同時(shí)還能為安全結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

葠窩水庫(kù)是遼寧省大型水庫(kù)之一，始建于1973年，位于遼寧省遼陽(yáng)市境內(nèi)的太子河干流上。葠窩水庫(kù)具備防洪、灌溉、工業(yè)用水以及供水發(fā)電等較為綜合的大型水利樞紐，流域面積高達(dá)6175km2，年徑流量24.5億m3，最大庫(kù)容7.91億 m3。其中觀(guān)一葠區(qū)間流域面積3380km2，占水庫(kù)以上流域面積的55%。葠窩水庫(kù)1～3＃和 22～31＃壩段為擋水壩，長(zhǎng)達(dá)217.3m。

2 計(jì)算工況、計(jì)算模型及邊界條件

2.1 計(jì)算工況

選取葠窩水庫(kù)典型壩段—擋水壩段，對(duì)其進(jìn)行有限元平面模擬。大壩平面有限元模型采用平面4節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行模擬，地基為均質(zhì)巖體。采用線(xiàn)彈性本構(gòu)關(guān)系。混凝土的彈模為26.7GPa，基巖的彈模為6GPa，混凝土泊松比和基巖泊松比分別取0.167和0.3，容重為24kN／m3。基巖為無(wú)質(zhì)量地基。模型坐標(biāo)：以上游面水平垂直水流方向?yàn)閤軸；以豎向?yàn)閥軸，豎直向上為正。在地基的兩側(cè)施加了法向約束，在地基底部施加法向和切向的兩向約束［1］。為了減少因模型本身對(duì)計(jì)算產(chǎn)生的影響，在廊道等部位進(jìn)行的較精密的網(wǎng)格劃分。

2.2 擋水壩段的計(jì)算模型及結(jié)果分析

計(jì)算模型的荷載大致分為3步加載：①施加自重；②施加上、下游水壓力；③施加揚(yáng)壓力。擋水壩段揚(yáng)壓力簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 擋水壩段揚(yáng)壓力示意圖

主要的荷載包括：

1）壩體的自重：取混凝土容重24kN／m3。

2）水容重：9.8kN／m3。

3）上游：正常高水位為38.6m；設(shè)計(jì)水位為42.8m；校核水位為44m。

擋水壩段有限元模型網(wǎng)格圖見(jiàn)圖2。

4）下游：正常高水位為7.87m；設(shè)計(jì)水位為8m；校核水位為9.64m。

圖2 擋水壩段有限元模型網(wǎng)格圖

從圖2中可以看出：壩體主要處于壓應(yīng)力狀態(tài)，僅上層廊道周?chē)搬∧焕鹊赖撞坑休^小范圍的拉應(yīng)力出現(xiàn)，壩體上下游壩面未見(jiàn)明顯拉應(yīng)力出現(xiàn)。當(dāng)大壩受到正常高水位壓力及揚(yáng)壓力作用后，與工況一相比，壩體的壓應(yīng)力減小，壩踵與壩趾及上下游壩面未見(jiàn)拉應(yīng)力，僅上游地基與壩踵相交處及灌漿廊道出現(xiàn)一定拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力范圍＜1m，且最大值＜0.3MPa，壩體整體仍處于壓應(yīng)力狀態(tài)。

當(dāng)壩體受到設(shè)計(jì)水位作用時(shí)，壩踵與壩趾及上下游壩面未見(jiàn)拉應(yīng)力，僅上游地基與壩踵相交處及灌漿廊道出現(xiàn)一定拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力范圍＜1m，且最大值＜0.3MPa，壩體整體仍處于壓應(yīng)力狀態(tài)。壩體的應(yīng)力趨勢(shì)與工況二相比沒(méi)有太大變化。

當(dāng)壩體受到校核水位作用時(shí)，壩踵與壩趾及上下游壩面仍未見(jiàn)拉應(yīng)力，僅上游地基與壩踵相交處、灌漿廊道底部及下游排水廊道左側(cè)壩肩出現(xiàn)一定拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力范圍均＜1m，且最大值＜0.4MPa，壩體整體仍處于壓應(yīng)力狀態(tài)。壩體的應(yīng)力趨勢(shì)與工況三相比沒(méi)有太大變化。僅應(yīng)力值略有增加。

擋水壩段在不同工況下情況下壩踵垂直應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖3所示，從圖3中可以看出，壩踵處的垂直應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，在只有自重的情況下，壩踵及廊道的壓應(yīng)力較大，有小范圍的應(yīng)力集中，施加水壓力及揚(yáng)壓力后，水壓力的作用減小了自重作用的壓力，使壩踵處的壓應(yīng)力相應(yīng)減少。

圖3 擋水壩段自重作用下壩踵垂直應(yīng)力分布圖

壩基幾個(gè)代表點(diǎn)的垂直應(yīng)力值，見(jiàn)表1，負(fù)號(hào)代表壓應(yīng)力，正值代拉應(yīng)力。從表1中可以看出：壩基各點(diǎn)的應(yīng)力值均為負(fù)值，即壓應(yīng)力。壩踵自重情況下壓應(yīng)力值2.6MPa，在校核洪水位下1.5MPa左右。壩趾自重情況下壓應(yīng)力值0.7MPa，在校核洪水位下1.9MPa左右。其他部位壓應(yīng)力值較小，均小于1MPa。

表1 各工況下壩基代表點(diǎn)垂直應(yīng)力表 MPa

［1］宋曰良.遼寧葠窩水庫(kù)溢流壩段裂縫狀態(tài)下地震反應(yīng)分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

Finite Element Simulation Analysis of Shenwo Reservoir Dam Section

WANG A-min1；JIA Qing-wen2；MA Yan3and ZHANG Xiao-qiong4
（1. Liaoning Water Supply Bureau，Shenyang 110003，China；2. Liaoning Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Shenyang 110006，China；3. Northwest Investigation，Design and Research Institute，Xi'an 710065，China；4. Tianhe College of Guangdong Technology ＆ Education Institute，Guangzhou 510540，China）

Taking the damsection of Shenwo Reservoir as study case，the engineering conditions when the old dam was built is simulated by finite element method. By detailed calculating，the yare consistent with the conclusion and the actual situation and provide reliable design reference for safety structure design.

Shenwo Reservoir；dam；finite element；simulation analysis

TV223.4

B

1007－7596（2014）08－0064－02

2014－04－11

王阿敏（1986－），女，山東諸城人，助理工程師，研究方向?yàn)樗畮?kù)管理；賈慶穩(wěn)（1986－），男，山東嘉祥人，助理工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)工作；馬艷（1987－），女，陜西西安人，助理工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)工作；鄭小瓊（1987－），女，河南南陽(yáng)人，講師，從事地下結(jié)構(gòu)抗震研究。