奴爾水利樞紐瀝青混凝土心墻壩二維有限元分析

2019-03-02 02:18:06胡小虎

廣西水利水電 2019年1期

胡小虎

（水利部新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

1 工程概述

奴爾水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區和田地區策勒縣境內的奴爾河上，是奴爾河上的控制性工程，是一座承擔灌溉、發電綜合利用任務的水利樞紐工程，工程等別為Ⅲ等工程，工程規模為中型。控制年徑流量1.71億m3，正常蓄水位2 497.00 m，相應庫容0.64億m3，死水位2 465.00 m，死庫容0.19萬m3，調節庫容0.45萬m3，電站總裝機容量6.2 MW，多年平均年發電量0.217億kW·h。

奴爾水利樞紐工程攔河壩是碾壓式瀝青心墻混凝土壩，瀝壩頂高程2 500.00 m，壩頂寬度為10.0 m，最大壩高80 m，大壩長746 m。上游圍堰與壩體結合，圍堰頂高程2 450.00 m。上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡布設兩級“之”字型上壩公路，路面寬度為10.0 m，下游壩坡為1∶1.8，最大斷面下游綜合坡度約為1∶2.05。壩體分為上游砂礫料區、上游過渡料區、瀝青混凝土心墻、下游過渡料區、下游砂礫料區。心墻布置型式確定采用直心墻，為碾壓式瀝青混凝土，心墻寬度為0.5～0.8 m[1]。大壩典型橫剖面見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

2 計算模型

2.1 模型簡介

在瀝青混凝土心墻土石壩非線性應力應變計算分析中，國內外較多采用鄧肯-張E-μ模型來描述[2]。鄧肯-張模型具有計算參數的物理意義明確、試驗參數容易獲得等特點，在工程實際中已經得到廣泛的應用，計算應用經驗豐富，成果易于比較。

在工程建設中，針對瀝青混凝土心墻壩的有限元計算，常采用鄧肯-張模型來描述。鄧肯-張模型曲線呈雙曲線，能較好地反映應力硬化型應力應變曲線，而該試驗結果表明，碾壓式瀝青混凝土呈現出應力硬化形態，雙曲線段范圍大，因此，采用“鄧肯-張”模型作為碾壓式瀝青混凝土心墻的計算模型，既比較符合碾壓式瀝青混凝土的力學特性，又便于計算分析和成果比較[2]。以下是鄧肯-張E-μ模型的切線模量表達式為[3]：

其中破壞偏應力（σ1-σ3）f符合摩爾-庫倫強度準則，有

Ei為初始切線模量，表達式為：

將式（2）、式（3）代入式（1）得

式中：Pa為大氣壓，取0.1 MPa；φ為內摩擦角；C為黏聚力；n為模量指數；K為切線模量系數；Rf為破壞比。

2.2 計算參數選取

計算中涉及的混凝土構件，采用線彈性模型進行計算。C20混凝土的彈性模量取25.5 GPa，泊松比取0.167。C30混凝土的彈性模量取30 GPa，泊松比取0.167。

筑壩計算參數根據工程地質報告選取（見表1）。

表1 計算參數表

3 幾何建模

根據奴爾瀝青混凝土心墻壩的壩址河床地質情況和大壩體型建立有限元模型，見圖2。模型中模擬了壩體砂礫料、瀝青混凝土心墻、過渡料、混凝土防滲墻、混凝土基座、河床砂礫石覆蓋層、基巖等材料分區。模型考慮了大壩的施工過程，先進行壩基的地應力平衡，然后分兩層填筑圍堰，加載防滲墻和基座，最后分7步填筑大壩主體。計算工況為竣工期、正常運行期。

模型的地基兩側施加水平位移約束，底邊界位移全約束。

圖2 模型整體網格圖

4 計算結果與分析

4.1 壩體應力應變

在竣工期，壩體豎向位移為0.43 m，為壩高的0.54%，位于壩體中下部。上、下游最大水平位移分別指向上、下游側，其中上游最大水平位移為0.06 m，下游最大水平位移為0.08 m。壩體的最大、最小主應力沿壩體深度逐漸增加，壩體的最大、最小主應力均出現在壩體底部，最大主應力為1.2 MPa，最小主應力為0.5 MPa。

在正常運行期，壩體豎向位移為0.46 m，為壩高的0.58%，位于壩體中下部。由于水壓力的作用，壩體向下游移動，其中上游最大水平位移為0.02 m，向下游移動了0.04 m；下游最大水平位移為0.22 m，向下游移動了0.14 m。壩體的最大、最小主應力均有所增大，最大主應力為1.4 MPa，最小主應力為0.6 MPa。