心墻曲率對壩體應力位移特征影響的數值模擬研究

楊東玲

（凌源市節約用水管理辦公室，遼寧凌源 122500）

1 研究背景

擬建中的雙龍水電站屬于遼寧省東部半拉江梯級開發的重要水利工程，壩址位于高龍泡水電站下游太平哨鎮二龍渡村境內，屬于典型的河床式水電站設計[1]。電站大壩為瀝青混凝土心墻土石壩壩型，最大壩高56.0m，壩頂高程160.0m，壩頂寬8.0m。大壩按照百年一遇洪水標準設計，千年一遇洪水校核，水庫的正常蓄水位為157.50m，校核水位為158.50m。

瀝青混凝土心墻土石壩作為一種新壩型，可以充分發揮瀝青混凝土的良好抗滲性，是一種具有良好適應性和發展前景的壩型[2]。從當前的工程現狀來看，瀝青混凝土心墻的防滲效果良好，極少發生滲透破壞，可以充分保證土石壩的安全穩定。另一方面，瀝青混凝土心墻還具有較好的變形適應性，在大壩發生變形的情況下可以作出適應性改變，抗震性能十分優異[3]。迄今為止，我國已經建成的瀝青混凝土心墻土石壩，均運行良好，并沒有發生滲透破壞性事故[4]。對于傳統的直心墻壩型，在建成運行期間，心墻受到上游水荷載的作用，會產生向下游的變形，進而在壩肩部位產生一定的拉應力。如果壩體的高度較大，上述拉應力值也會明顯偏大，一旦超過心墻材料的抗拉強度，就可能造成破壞[5]。因此，對于高混凝土心墻土石壩，往往采取曲心墻設計。下文以擬建中的雙龍水電站大壩為例，利用數值模擬的方法展開心墻曲率對壩體應力位移特征影響研究，以期為相關工程設計提供必要的理論借鑒。

2 有限元計算模型的構建

2.1 計算模型的建立

ANSYS軟件是一款大型通用三維有限元模擬軟件，具有十分完善和強大的數值模擬功能，在工程研究和設計領域具有十分廣泛的應用。該軟件的一個重要特點就是，可以在建模計算過程中直接和CAD軟件進行數據交換，可以根據工程模擬計算的需要，對已經構建的模型進行必要的調整，從而通過網格劃分的優化，提高模擬計算的效果和質量[6]。基于此，此次研究選擇ANSYS軟件進行研究對象的模型構建。

此次研究以背景工程特點為依據選擇模擬計算的范圍，不僅包括雙龍水電站的大壩主體，還涵蓋了兩側的部分山體，模型長350.0m、寬150.0m、高75.0m。在模型構建過程中，壩軸線指向右岸的方向為Y軸正方向，以垂直于Y軸指向下游的方向為X軸正方向；以豎直向上的方向為Z軸正方向[7]。利用六面體等參單元進行幾何模型的網格劃分，并對心墻等關鍵部位進行必要的加密處理，整個模型劃分為65465個計算單元，89787個計算節點。

2.2 計算參數和邊界條件

結合研究的具體需要，選擇鄧肯模型為模型的本構模型[8]。模型的計算參數對模擬計算結果存在顯著的影響，因此研究中以相關規范為基礎，結合現場采樣試驗數據，確定如表1所示的計算參數。模擬計算中對模型施加位移約束條件，其中模型的底面施加全位移約束條件，模型的兩側施加豎向位移約束，模型的頂部為自由邊界條件。

表1 計算材料的物理力學參數

2.3 計算方案

根據相關研究成果，在大壩建成蓄水之后，瀝青混凝土心墻的壩肩部位會出現比較明顯的拉應力，也就是在上游水壓力荷載的作用下，壩軸線會產生不同程度的拉伸和變形。為了檢驗心墻曲率對大壩受力特征的具體影響，研究中根據不同的心墻曲率，設置了兩種計算方案：方案1，心墻曲率為9.6×10-5/m；方案2，心墻曲率為1.1×10-5/m。構建不同計算方案下的大壩有限元計算模型，分析不同心墻曲率下的靜力特征。

3 計算結果與分析

3.1 應力

研究中利用已構建的計算模型，對兩種不同心墻曲率計算方案下蓄水期大壩大、小主應力進行計算分析，根據計算結果，繪制出如圖1所示的壩體最大截面應力等值線圖。由圖1可知，在不同的心墻曲率條件下，大壩截面的大（小）主應力等值線分布規律基本相似，呈現出自上而下逐步增大的特征。其中，大、小主應力的最大值出現在大壩底部的中間部位，而最小值則出現在大壩頂部。從具體的數值來看，在方案1的條件下，心墻承受的最大大、小主壓應力值分別為2.38，1.39MPa；在方案2的條件下，心墻承受的最大、最小主壓應力值為2.44，1.41MPa。由此可見，隨著心墻曲率的增大，心墻承受的最大壓應力沒有明顯變化，拉應力得到消除，幾乎減小為0。

圖1 壩體最大截面應力等值線圖

總之，隨著心墻曲率的增大，大壩各個部位的壓應力值有所增大，但變化并不明顯；壩肩部位的拉應力值則明顯減小或消失。由此可見，采用曲心墻可以明顯改變大壩的應力分布特征，可以起到比較顯著的消除壩肩拉應力的作用。

3.2 位移

研究中利用已構建的計算模型，對兩種不同心墻曲率計算方案下蓄水期大壩壩軸向、順河向、豎向進行計算分析，根據計算結果，繪制出如圖2—4所示的位移等值線圖。由圖2—4可知，兩種不同計算方案下的壩軸向、順河向、豎向等值線分布規律基本相似；在不同的心墻曲率條件下，壩軸向位移的數值較小，且沒有發生明顯的變化，分別為4cm和5cm，說明瀝青混凝土心墻的曲率對大壩壩軸向位移的影響極為有限；大壩順河向最大位移值僅增加了1cm，說明心墻的曲率變化對大壩順河向位移基本沒有影響；隨著心墻曲率的增大，大壩豎向最大位移值僅增加了2cm，說明心墻的曲率變化對大壩豎向位移的影響不大。

圖2 壩軸向位移等值線圖

圖3 順河向位移等值線圖

圖4 豎向位移等值線圖

總之，大壩的位移是自重荷載和上游的庫水壓力共同作用的效果，在其他條件不變的情況下，壩體的受力及分布基本保持不變，因此心墻曲率的變化不會對大壩位移產生比較明顯的影響。

4 結語

綜上，利用數值模擬方法，研究心墻曲率變化對大壩應力位移特征的影響，得出：采用曲心墻可以明顯改變大壩的應力分布特征，可以起到減小或消除壩肩拉應力的作用，且心墻曲率越大，上述作用越明顯；心墻曲率的變化不會對大壩位移產生比較明顯的影響。因此，在瀝青混凝土心墻大壩設計過程中，可以結合實際情況選擇曲心墻直壩壩型結構。