基于ANSYS的拱坝坝肩及坝基整体稳定分析

丁泽霖，王 婧，黄德才

(1.华北水利水电学院，河南郑州 450011;2.贵州省黔西南州望谟县水利局，贵州望谟 552300)

基于ANSYS的拱坝坝肩及坝基整体稳定分析

丁泽霖1，2，王 婧1，黄德才2

(1.华北水利水电学院，河南郑州 450011;2.贵州省黔西南州望谟县水利局，贵州望谟 552300)

结合拱坝坝肩与坝基的地形、地质特征以及软弱结构面分布状况，通过ANSYS软件建立拱坝天然地基条件下的三维数值模型，并进行超载法计算，分析坝体变形与应变特征、坝肩和断层的变位分布特征、坝肩的破坏形态和过程，得到整体稳定超载安全系数，评价拱坝的安全度，为工程设计、施工和加固处理提供依据.

拱坝;有限元;坝肩稳定

拱坝是坝工建设中的一种主要坝型，它具有体积小、工程量省、泄洪布置方便、潜在安全度高、抗震性能好等特点，在坝型选择中优先考虑拱坝坝型已成为坝工建设中的一个重要发展趋势.然而，我国近期在建或拟建的高拱坝，大多位于西部地区河流上［1］，其主要特点是山高谷深、河谷狭窄、地质条件复杂、地震烈度高等，同时工程规模大，电站装机容量、水库库容大，拱坝坝肩的稳定问题十分突出，直接影响到工程的安全.因而需要深入开展复杂岩基上高拱坝坝肩稳定性研究.非线性有限元法是解决上述问题的一种重要方法.

有限元法是把连续体离散成有限个单元，配合一定的强度破坏准则分别计算每个单元中节点的应力及位移，分析连续体应力、应变状态.随着计算机技术的发展，有限元法逐渐成为了工程数值仿真的重要方法.在高坝坝基稳定计算方面，由于有限单元法可以方便地模拟坝体、地基地质复杂构造和材料分区，能较清晰地模拟施工过程和加载顺序，可进行弹塑性、静动力分析，因此有限元法在高坝地基稳定分析中的应用越来越广泛［2－4］.ANSYS软件是一款集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，通过该软件可以进行工程结构静态和动态的有限元分析，可针对流体、电磁场、温度场等进行模拟分析，并且可以达到一定程度的可信度［5］.笔者以复杂地基上的高拱坝坝肩稳定性为研究对象，采用非线性有限元的ANSYS软件，分析坝与地基整体稳定性、变形失稳过程以及破坏机理.

1 工程概况

某水电站拦河大坝为抛物线双曲拱坝，坝顶高程为2 092 m，坝底高程为1 960 m，最大坝高为132 m.坝体采用二级配碾压混凝土防渗，其内部为三级配碾压混凝土.C25碾压混凝土抗压强度标准值为 25.0 MPa，抗压强度设计值为 17.8 MPa，抗拉强度设计值为 1.57 MPa;线膨胀系数取 1.0×10－5/℃，泊松比为 0.167，容重为 23.52 kN/m3.拱坝坝体几何体形如图1所示.

图1 拱坝坝体几何体形

枢纽区断裂构造比较发育，主要构造形迹为不同规模的断层和长大裂隙.影响左坝肩的有断层F10，f4，f5 和长大裂隙带 L1，L2，Lp285 等.影响右坝肩的有断层F10，f4以及横切整个山谷的层间剪切带 fj1，fj2，fj3，fj4.主要裂隙面及软弱结构面的强度参数见表1，轴线工程地质剖面如图2所示.

表1 坝址区结构面力学性质指标地质建议值

图2 水电站坝轴线工程地质剖面图

2 有限元模型建立

拱坝三维有限元计算模型模拟范围为:以河床坝底中心为基准，向上游延伸200 m，约1.5倍坝高;向下游延伸300 m，约2.3倍坝高;建基面向坝下延伸300 m，约2.3倍坝高;从左岸坝肩算起，向外延伸150 m，约1.2倍坝高;从右岸坝肩算起，向外延伸150 m，约1.2倍坝高.模型中对右坝肩及抗力体需重点模拟各类岩体及断层f4，f5，层间剪切带fj1，fj2，fj3，fj4等控制坝肩稳定的主要控制因素;对左坝肩及抗力体需重点模拟各类岩体及断层f4，f5，长大裂隙 L1，L2，Lp285，层间剪切带 fj1，fj2，fj3，fj4等控制坝肩稳定的主要控制因素.

模型的单元剖分在ANSYS软件中进行，坝体采用Solid 65单元，岩体采用Solid 45单元，整个模型的离散单元总数为34 826个，节点总数为15 362个(其中坝体1 392个).拱坝整体及坝体有限元网格如图3所示.

图3 拱坝整体与坝体有限元网格

计算采用的是弹塑性材料模型，屈服准则采用D－P准则.模型两岸边界垂直河向约束，底面为三向固定约束，上、下游边界顺河向约束.计算中采用的直角坐标为:X轴方向垂直于水流方向，以向左岸为正;Y轴方向平行于水流方向，以向下游为正;Z轴方向为高度方向，向上为正.

计算工况为正常蓄水位+淤沙+自重，研究坝与地基在正常运行状态下的工作性态及超载特性.

3 计算结果分析

3.1 坝体位移分布特征

坝体上部位移大于下部位移，拱冠位移大于拱

图8给出了坝体最大顺河向位移与超载倍数关系曲线.由图8可以看出:坝体顶部位移发展较底部增长快一些，在Kp=6.6之后出现了转折点;最大顺河向位移亦在Kp=6.6后出现了拐点;到10倍荷载后，计算不再收敛.

图8 坝体最大位移、坝顶位移与超载系数关系曲线

3.2 坝肩(基)超载特性及破坏模式和破坏机理

应用非线性有限元计算和分析坝肩抗力体对稳定性的影响，主要考虑建基面及坝肩、坝踵及坝趾的端位移，拱冠上部位移大于下部位移，径向位移大于切向位移.坝体位移总体上对称性较好.坝体径向变位整体趋向下游，最大径向变位出现在拱冠梁顶部，超载系数Kp=1.0时，其值为59.6 mm，随着超载倍数增加，最大顺河向位移由坝顶移至拱坝中上部.图4—7为各超载条件下坝体下游面顺河向变位图.塑性破坏.图9—19为不同超载系数下坝肩塑性区破坏图及各典型高程坝肩破坏平切图.由图可知:①当Kp=1.0时，断层f5、层间剪切带fj1—fj4出现少量塑性破坏区，坝肩及建基面没有出现塑性区，各典型高程坝踵出现少量塑性区;②当Kp=1.2～2.0时，断层f5、层间剪切带fj1—fj4塑性破坏区进一步扩大，坝肩坝基也出现小面积塑性破坏区.坝踵和坝基浅层拉剪破坏区显著加大，范围扩展至1 950 m高程.各典型高程坝肩上游坝踵岩体有塑性区产生并向上游扩展;③当Kp=3.0～4.0时，坝基塑性破坏区完全贯通，并继续向上下游扩展，建基面中心线40%处于塑性状态，各典型高程坝肩上游坝踵岩体塑性区继续扩大，并与下游结构面相互贯通;④当Kp=7.0时，塑性区进一步扩大，坝肩坝基塑性区完全贯通，建基面中心线几乎全部处于塑性状态，坝肩岩体全部处于塑性状态，fj3，fj4上下游出露部分全部贯通，各典型高程坝肩下游坝趾岩体出现塑性区，并与坝踵塑性区贯通，坝与地基整体丧失承载能力.

图19 Kp=7.0时高程为2 030 m平切面塑性区破坏

4 结语

笔者采用有限元方法，针对复杂岩基上高拱坝坝肩稳定问题，开展三维有限元拱坝整体稳定研究，分析了坝肩稳定及破坏失稳机理，为工程设计、施工和加固处理提供了科学依据.得到结论如下.

1)坝体径向变位整体趋向下游，最大径向变位出现在拱冠梁顶部.随着超载倍数增加，最大顺河向位移由坝顶移至拱坝中上部，最大顺河向位移在Kp=6.6后出现了拐点，到10倍荷载后计算不再收敛.

2)左岸中上部破坏较为严重，右岸中下部产生破坏，左岸塑性破坏区比右岸大，建基面的塑性区从左岸扩展至右岸，并与坝肩塑性区完全贯通，建基面在拱坝轴线上游侧塑性破坏严重而下游侧几乎没有，拱冠梁坝踵处出现大面积塑性区.

3)各结构面在出露处及附近岩体破坏严重，其中影响左坝肩稳定的主要结构面是f5，f4，Lp285，L2，fj2，fj3，fj4，影响右坝肩稳定的主要结构面是 f4，fj3，fj4.因此，建议工程上对坝肩破坏严重部位进行适当加固处理.

［1］苑宝军，张玉文.加快四川水电建设打造中国水电基地［J］.水利科技与经济，2006，12(2):118 －120.

［2］Boulon M，Alachaher A.A new incrementally nonlinear constitutive law for finite element applications in geomechanics［J］.Computers and Geotechnics，1995，17(2):177－201.

［3］陈胜宏，汪卫明.小湾高拱坝坝踵开裂的有限单元法分析［J］.水利学报，2003(1):66－71.

［4］杨强，吴浩，周维垣.大坝有限元分析应力取值的研究［J］.工程力学，2006，23(1):69 －72.

［5］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

Stability Analysis of Foundation and Abutment of Arch Dam Based on ANSYS

DING Ze-lin1，2，WANG Jing1，HUANG De-cai2
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Water Conservancy Bureau of Wangmo County，Wangmo 552300，China)

According to the topographical，geological features，the distribution of weak structure of the arch dam，a three-dimensional numerical model of arch dam under the natural foundation conditions is established by ANSYS software.Using overloaded method，which can analyze and calculate the displacement of the dam and abutment，the relative displacement of weak structure plane，and the failure pattern and process of the dam and abutment just as in the model test，the overload coefficient of overall stability is obtained.It can evaluate the safety of arch dam.The results have provided the important scientific basis for the design，construction and reinforcement of the project.

arch dam;finite element method;abutment stability

1002－5634(2012)03－0004－05

2012－04－05

丁泽霖(1983—)，男，满族，辽宁凤城人，讲师，博士，主要从事水工结构工程方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)