基于ABAQUS的塑性混凝土心墻壩應力變形分析

李艷麗

(延壽縣水務局水政水資源管理辦公室，黑龍江 延壽 150700)

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基于ABAQUS的塑性混凝土心墻壩應力變形分析

李艷麗

(延壽縣水務局水政水資源管理辦公室，黑龍江 延壽 150700)

混凝土防滲心墻近些年在在土石壩工程中有著重要應用，是重要的防滲型式之一，特點施工方便、防滲效果好等優(yōu)點得到廣泛應用。塑性混凝土由于其具有滲透系數(shù)小、彈性模量與模強比低、能夠較好的適應周圍土體變形等特點而受到人們的廣泛關(guān)注。文章以塑性混凝土心墻壩的變形和應力變化問題為研究對象，運用大型有限元軟件ABAQUS。計算竣工期和蓄水期兩種不同工況下位移和應力變化分析計算，進而總結(jié)出塑性混凝土心墻壩在不同工況下應力變形分布規(guī)律。

塑性混凝土；防滲心墻；應力變形；有限元軟件

0 前 言

土石壩是歷史最為悠久的一種壩型，也是世界壩工建設(shè)年中最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型[1]。在土石壩樞紐工程中，防滲體系以其技術(shù)的復雜性、結(jié)構(gòu)的重要性和投資比重大等因素，占據(jù)著十分重要的位置。塑性混凝土是一種新型防滲材料，和普通混凝土比較，塑性混凝土的膠凝材料既有水泥，還有黏土、膨脹土等，有時候也在塑性混凝土中摻加外加劑、粉煤灰來改善其特性并節(jié)省水泥用量。

1 工程概況

王圪堵水庫位于陜西省榆林市橫山縣縣城西北方向，距市區(qū)60km。該水庫主要是攔沙、供水，發(fā)電、灌溉為輔的水利工程。該工程級別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型，是當?shù)厮こ探ㄔO(shè)歷史上級別最高的水利工程。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和壩后電站等主要建筑物組成[2]。

壩體為塑性混凝土心墻碾壓砂壩，攔河壩按100a一遇洪水設(shè)計，2000a一遇校核。水庫正常蓄水位1052.00m，校核洪水位1053.75m，設(shè)計洪水位1052.86m，。壩頂高程1055.00m，死水位為1031.00m。壩體清基后基礎(chǔ)高程為1010.00m，最大壩高46.0m，壩長942.0m，壩寬8.5m。大壩標準橫剖面見圖1。

圖1 王圪堵水庫大壩標準橫剖面圖

2 有限元數(shù)值模型

大壩壩體取左岸側(cè)共計530m長的壩段，壩基底部取至基巖面、高程998m處，壩基上、下游河床分別取至距上、下游壩坡坡腳1倍壩高(44m)處，左岸壩肩取至從壩0+000向左岸延伸50m處。根據(jù)幾何模型的具體特點，對大壩及壩肩采用四節(jié)點四面體單元C3D4與八節(jié)點六面體單元C3D8相結(jié)合進行剖分，共剖分實體單元總數(shù)為56523，節(jié)點總數(shù)為35302。

有限元模型見圖2。其中，坐標系的正向約定為：沿壩軸線方向自左向右為X軸正向，沿上下游方向為Y軸正向，豎直向上為Z軸正向。

模型邊界條件：模型底部邊界取為固定，模型上、下游及左側(cè)面邊界取為沿相應邊界面法向的水平約束，模型右側(cè)面邊界取為對稱約束。

圖2 王圪堵塑性混凝土心墻壩三維有限元網(wǎng)格圖

3 計算結(jié)果

3.1 施工期計算結(jié)果

1)位移計算：圖3-圖4為竣工期壩體最大斷面的豎向位移和水平位移等值線分布圖，計算得知，壩體最大垂直位移發(fā)生在壩體中上部，位移為39.3cm。壩體水平位移以橫剖面為界，出現(xiàn)兩個極值區(qū)，壩體上游水平位移最大為23.7cm，壩體下游部分的水平位移指向下游，其最大值為33.4cm，兩個極值區(qū)的中心均基本在上、下游壩坡的1/2壩高。

圖3 竣工期壩體最大斷面垂直位移等值線圖

圖4 竣工期壩體最大斷面水平位移等值線圖

2)應力分析：圖5-圖6為竣工期壩體最大斷面大、小主應力等值線圖，從計算結(jié)果來看，壩體應力分布較為規(guī)則，呈連續(xù)變化。其中，壩體大主應力最大值為1.06MPa，位于壩體底部塑性混凝土心墻上下游兩側(cè)，為壓應力；小主應力最大值為0.84MPa，位置也在壩體底部塑性混凝土心墻上下游兩側(cè)，為壓應力。

圖5 竣工期壩體最大斷面大主應力等值線圖

圖6 竣工期壩體最大斷面小主應力等值線圖

3.2 蓄水期計算結(jié)果

1)位移計算：圖7-圖8為蓄水期壩體最大斷面的垂直位移及上下游方向水平位移等值線分布圖，由圖可以看出，壩體最大垂直位移大體發(fā)生在壩體中部、靠上游側(cè)。蓄水后，上游壩體填料水位以下容重變?yōu)楦∪葜兀沂艿礁⊥辛ψ饔茫嫌螇误w有向上抬動的趨勢；最大垂直位移為43.2cm，大約位置在0.5h處。大壩上游部分的水平位移最大值為18.5cm，下游部分的水平位移指向下游，最大值為47.2cm。此工況與之前比較，壩體由于受水壓力作用，大壩整體位移均有向下游推進的趨勢，而壩體上游部分向上游的水平位移趨勢略微有所減小，壩體下游部分向下游的水平位移趨勢有所增大。

圖7 蓄水期壩體最大斷面垂直位移等值線圖

圖8 蓄水期壩體最大斷面水平位移等值線圖

2)壩體應力分析：圖9-圖10為蓄水期最大斷面大、小主應力等值線圖，圖中結(jié)果顯示，在自重和水壓力聯(lián)合作用下，大、小主應力的分布規(guī)律與施工期基本相同，大主應力最大值增大為1.55MPa，小主應力增大為1.02MPa。

同時，上游壩殼填料由于水的浸入作用以及浮托力的作用，大小主應力較下游要小。

圖9 蓄水期壩體最大斷面大主應力等值線圖

圖10 蓄水期壩體最大斷面小主應力等值線圖

4 總結(jié)與展望

本文運用ABAQUS有限元軟件對王圪堵水庫工程進行了數(shù)值模擬，模擬計算了塑性混凝土心墻壩在施工期與蓄水期兩種工況下壩體與心墻的應力與變形， 在不同工況下，大壩的位移分布特征和均質(zhì)土壩相似。以壩體最大縱剖面劃分，各計算期大壩的水平(沿上下游方向)位移呈現(xiàn)兩種趨勢，大壩上游部分的水平位移指向上游，下游部分的水平位移指向下游，其變化相對較均勻，基本可以判定大壩不存在過大的不均勻沉降問題。應力分布規(guī)律基本合理，工程的安全性可以得到保證。

塑性混凝土具有較小的滲透系數(shù)，良好的變形性能，較低的彈性模量等優(yōu)良性能，值得在水利工程中推廣使用，尤其是在土石壩除險加固工程中的應用。

[1]王柏樂，劉瑛珍，吳鶴鶴.中國土石壩工程建設(shè)新進展[J].水力發(fā)電：專題綜述，2005，31(01):63-65.

[2]劉志紅.淺談塑性混凝土防滲墻在水利水電工程中的應用[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2000(03):22-25.

1007-7596(2017)02-0054-02

2017-02-17

李艷麗(1964-)，女，黑龍江延壽人，工程師。

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