材料滲變效應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中心，黑龍江 方正 150800)

1 緒 論

混凝土面板壩設計時，主要對壩體、面板的變形分布，施工縫的的拉伸壓縮量進行重點預測分析，從而作為壩體設計施工、安全運行提供有利的理論支撐。現代混凝土面板壩壩體結構主要包含混凝土面板、墊層料、過渡料、堆石區等部分，主要防滲體系為面板與趾板和防滲墻，而堆石區支撐和保護面板壩，其合理模擬將直接影響著壩體結構計算的準確性。因此若能充分考慮材料流變作用[1]，合理的進行有限元模擬分析，對研究高面板砂礫石材料滲變效應下的靜力計算具有非常重要的理論指導意義。

2 施工及蓄水模擬步驟

面板砂礫石壩的施工模擬時選取一定厚度的填筑碾壓層作為一級加載，當施工至第n層時，將砂礫石料自重荷載定義為瞬時荷載加載到n-1層，其上部結構不受影響，通過施工步數的增疊加，逐漸實現壩體分層施工過程。

ADINA軟件中使用分期蓄水對應不同高程來控制模擬蓄水過程：①第1期蓄水在模型相應水位加載水荷載；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 工程實例

3.1 工程概況

某水利樞紐位于中國西北青海省內[3]，工程規模為大(2) 型，水庫總庫容1.85億m3，水電站總裝機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

面板壩數值模型剖分主要采用六面體八節點單元，模型共計剖分實體單元5782個，接觸面單元313個，節點總數6716個。材料分區按大壩斷面按設計材料分區為5個區，并且在下游面板與墊層料間設置面—面接觸[5]。大壩填筑料的E-B模型參數，見表1。

表1 大壩填筑料的E-B模型參數

3.3 計算結果

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。竣工期壩體豎向位移等值線圖，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

大壩變形統計結果，見表2。

表2 大壩變形統計結果

從以上有限元計算結果可以總結出：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，基本出現在壩坡內側的偏下部。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，分析是因為水壓力荷載所致。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 壩體應力計算結果分析

竣工期壩體大主應力等值線圖，見圖6；竣工期壩體小主應力等值線圖，見圖7。

圖6 竣工期壩體大主應力等值線圖

圖7 竣工期壩體小主應力等值線圖

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

4 結 論

文章基于材料滲變效用的基本原理，結合實際工程建立三維有限元模型，計算壩體材料在滲變效用下的應力變形，結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對壩體和面板的應力變形影響較大，設計研究時應選用合理的流變本構模型，對材料的流變變形發展進行重點分析，進而在工程設計中采取相應的措施，這對工程技術經濟指標的提高具有長遠意義。