基于ANSYS的碾壓混凝土重力壩斷層帶處理有限元分析

劉蒙娜，胡士輝，甕 宛

(1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450016)

碾壓混凝凝土重力壩穩定的關鍵是壩基的完整性，壩基斷層將直接影響大壩的位移與應力分布，尤其是順水流向較大的斷層帶將會使壩基沿斷層帶發生塑性變形，從而導致壩體產生順水流向裂縫。為此，眾多水利工作者從不同方面對相關問題進行了研究。徐衛亞[1]等選取典型壩段，對受垂直水流方向斷層影響的重力壩進行有限元分析，對壩基的穩定性進行了研究；劉依松、艾子欣[2-5]等采用有限元法模擬了重力壩在各種荷載作用下的應力和變形，得出壩體應力變形的變化規律；王建偉[6]等基于有限元等效應力的思想，通過控制網格大小的方法來調整壩踵應力的計算結果；孟波[7]等通過對某水庫大壩壩基斷層采取工程處理措施，根據滲壓監測成果分析斷層處理措施的可靠性。總體來看，對于碾壓混凝土重力壩沿壩基順水流向斷層帶處理分析的研究相對較少。本文利用ANSYS對大石澗水庫壩體及壩基斷層沿壩軸線方向進行數值模擬，分析斷層處理前后的應力變形，斷層處理后的成果與工程實測值基本一致，基本解決了斷層處理的問題。

1 工程概況

2 實例計算分析

2.1 計算范圍和邊界約束條件

本次順壩軸線方向，采用平面有限元簡化計算，取壩頂中線位置。計算范圍：壩肩兩岸寬度取最大壩高的3倍(200m)，豎直方向建基面以下取最大壩高的3倍(200m)。左右岸均采用法向約束，底面采用固定約束。計算采用的坐標軸：溢流壩段壩中點為坐標(0，0)點，x軸從溢流壩壩基中點水平指向右岸，y軸豎直向上為正方向。計算斷面如圖1所示。

圖1 大壩計算斷面圖

2.2 計算參數與整體模型

壩體及地基巖石材料參數見表1。斷層破碎帶及固結灌漿區域計算參數見表2。

表1 壩體與地基巖石材料參數

表2 斷層及灌漿區域材料參數

碾壓混凝土壩體和地基均采用ANSYS中的PLANE42平面四邊形單元模擬，壩體混凝土材料采用線彈性單元模擬，地基巖石和斷層采用彈塑性DP模型模擬。整體模型共有18487個節點，18165個單元。

2.3 計算工況

依據SL 319—2018《混凝土重力壩設計規范》[8]，各工況下的荷載組合見表3。

表3 計算工況及荷載組合結果

2.4 計算結果分析

根據前文確定的邊界條件，綜合考慮各種計算荷載，借助于ANSYS對斷層處理前后各工況進行了結構位移、應力計算和分析。

2.4.1壩體位移、應變分析

壩體各工況位移及應力計算結果見表4。其中壩體完建期斷層斷層處理前位移計算結果如圖2所示，壩體垂直正應變云如圖3所示。

表4 壩體各工況計算結果統計

圖2 壩體x向位移圖

圖3 壩體垂直正應變云圖

計算結果表明：壩體最大垂直位移位于壩頂，最大水平位移位于左岸，方向指向大壩右岸；壩體最大垂直正應變位于溢流壩段壩底。在右岸與斷層接觸部位的壩體底部第一主拉應力出現了最大值，但很小，滿足規范要求。

2.4.2壩基位移、應力分析

壩基各工況位移及應力計算結果見表5。其中完建期斷層處理前壩基位移、等效塑性應變云圖如圖4—5所示。

表5 基巖各工況計算結果統計

圖4 壩基巖石x向位移圖

圖5 壩基巖石等效塑性應變云圖

計算結果表明：F3斷層處出現最大塑性應變區，大壩建成后出現塑性破壞的可能性很大，應對塑性區進行處理。

斷層帶處理之后，再對壩基及壩體進行有限元計算結果顯示：壩基F3斷層塑性區域基本消失，這表明固結灌漿改善了壩基的不良地質條件對壩體造成的影響。壩體第一主拉應力減小，在右岸與F3斷層接觸部位的壩體底部不再出現拉應力集中現象。固結灌漿對壩體位移、應變沒有太大影響。

3 斷層帶F1，F3的加固處理方案

3.1 原設計方案

為改善大石澗水庫大壩壩基巖石的力學性能，加強壩基巖體的整體性，提高基巖的變形模量和強度，首先將左岸F1、右岸F3斷層進行挖除，然后用混凝土塞進行回填，F1、F3斷層開槽挖深為寬度的1.50倍，對F1、F3斷層上游30m、下游30m，兩側各2m范圍內進行固結灌漿，孔深6m。

3.2 實際實施方案

由于F1、F3位于兩壩肩，上下游山體還較厚，壩體外的固結灌漿施工較困難，對F1斷層上游30m、下游30m，兩側各2m范圍內及F3斷層上游30m、下游12m，兩側各2m范圍內進行固結灌漿，孔深6m。由于F3斷層帶較寬，在開挖部分與基巖之間用混凝土塞回填，在塞填混凝土與壩基混凝土相交的界面布置HRB400級鋼筋32@150cm鋼筋網，此外，對F1、F3斷層所在的壩段帷幕灌漿采用雙排帷幕加強處理。

經有限元計算分析后，減小壩體外固結灌漿范圍，節省投資，但工程仍是安全的。

4 效果分析

大石澗水庫大壩于2020年5月施工完畢，壩體完建期實際監測數據壩體與有限元計算壩體最大豎直位移及壩體最大垂直正應變對比見表6。

表6 完建期應力、應變對比結果統計

F1、F3斷層貫穿大壩的上下游，由于上下游覆蓋層的影響，難以準確確定其斷層位置。計算研究分析，處理范圍減小，確定采用混凝土塞+固結灌漿的處理方案，針對性比較強。經過壩體完建期實測數據的驗證，實測值均小于有限元計算值，且滿足現行規范要求，大石澗水庫大壩順水流向壩基斷層帶處理取得了較好的效果。

5 結語

大石澗水庫大壩壩基由于斷層F1、F3的存在，對壩體的應力變形和穩定性影響較大，文章通過對斷層處理前后各工況進行有限元計算，得出結論：

(1)按照處理前的斷層參數進行有限元計算，F3斷層邊沿與右岸巖體接觸部位出現塑性區，但按照處理后的有關參數進行復核，塑性區基本消失。說明對重力壩壩基斷層采用采用混凝土塞+固結灌漿的處理方案是合適的。

(2)通過對大壩建成后實測數據與有限元計算結果的對比驗證，對大壩和壩基順水流向斷層采用簡化的有限元模型模擬是合理的。

本次實例分析對其它類似工程簡化計算及斷層帶處理有一定的參考借鑒意義。