重力坝三维有限元仿真分析

刘毅乐，王新伟

（毕节市勘测设计研究院，贵州毕节551700）

1 概况

纳雍县位于毕节市的南部，贵州省的西北部。境内河流属长江流域，大部分河流汇入六冲河。六冲河的一级支流五左河发源于纳雍县大房头，大坪菁水库坝址位于五左河上游段的一级支流木城河和水东河源头，距纳雍县城47km（直线距离14km）。

大坪箐水库供水工程的任务主要为城镇供水。水库集雨面积5km2，水库兴利库容265 万m3，总库容315 万m3，设计保证率P=95%下最大日供水量达0.87 万m3，年平均净供水量318 万m3，年平均毛供水量338 万m3。

大坪箐水库主坝位于木城河源头下游760m 处，根据SL252—2000 《水利水电工程等级划分及洪水标准》相关规定，工程等别为Ⅳ等，工程规模属小（1）型，主坝等主要建筑物级別为4 级。主坝为混凝土砌毛石重力坝，坝顶长度264.12m，坝顶高程2006.71m，坝基面高程为1978.30m，最大坝高28.41m，坝顶宽4m，最大坝底宽21.77m，上游面垂直；下游面在2001.26m 高程以下坝坡为1∶0.75，以上垂直。坝基开挖至弱风化上部，采用厚1.0m C15 混凝土作为坝基垫层。上游面为0.5m 厚W4F100C15钢筋混凝土防渗面板，下游面为0.5m 厚M10 水泥砂浆砌C15 混凝土预制块，中部为C10 细石混凝土砌毛石。坝顶上游面设置1.2m 高防浪墙，下游面设置1.2m 高栏杆。

2 计算参数及计算工况

2.1 计算参数

根据地表地质勘察，大坪箐水库主坝坝址的河床覆盖层较薄，左右岸覆盖层厚度0～1.5m，河床部位第四纪冲淤积覆盖层厚3.0m，主坝坝址区出露基岩地层为二叠系上统峨嵋山玄武岩组（P2β）的玄武岩，上部强风化层厚5.0m，下部弱风化层厚10.0m。

工程区无活动断层分布，区域地震基本烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s，区域构造稳定性良好。

根据岩体勘探及取样室内试验成果，参照并结合有关工程经验和设计规范，主坝坝址区的岩石部分物理力学性质参数指标建议取值如表1。

表1 坝址岩体物理力学性质指标参数取值

根据试验和规范及相关工程经验类比得出：①粘土：容重17kN/m3，内摩擦角12°，内聚力0.03MPa，承载力标准值150kPa；②沙卵石层：容重20kN/m3，浮容重8～10kN/m3，内摩擦角17°，内聚力0.03MPa，承载力标准值200kPa；③淤沙：容重13～14kN/m3，浮容重8～10kN/m3，内摩擦角8°；④坝体：弹模6～8GPa；⑤容重23kN/m3；⑥强风化玄武岩抗冲刷系数1.5，弱风化玄武岩抗冲刷系数1.2。

2.2 计算工况

重力坝承受的荷载主要有：自重、静水压力、动水压力、扬压力、泥沙压力、冰压力、浪压力、地震荷载等。

重力坝抗滑稳定及坝体应力计算的荷载组合分为基本组合和特殊组合。

3 仿真分析

3.1 基本计算假定

（1）坝基岩体和坝体混凝土是均匀、各向同性的弹性体，认为从坝基或坝体内任一点处取出单元体积，能代表整个坝体或坝基的力学性能。

（2）坝基岩体和坝体混凝土为各向同性线弹性材料。

（3）山体除与坝体接触一侧是自由外，其他方向为法向连杆约束，坝基底部为三向约束。

3.2 模型的建立

建立重力坝的实际模型比较困难，因此在建立重力坝的有限元应力分析模型时，采用了简化方法，建立了重力坝的简化模型，这样做既可以满足计算精度要求，又节约时间，提高工作效率。

重力坝的应力分析有限元模型由坝体混凝土和基岩组成，基岩的计算范围：坝基底下、左右岸、上下游分别向外延伸2 倍坝高。

3.3 网格划分

在有限元分析软件ANSYS 中，网格划分有自由网格（Free Meshing）划分和映射网格（Mapped Meshing）划分两种方式。其中映射网格划分可根据不同的网格划分密度满足坝基和坝体不同部位对计算精度的要求，故本次采用映射网格划分对坝基和坝体进行划分。坝体网格划分密度较大，坝基较小；距离坝体较近部位的网格划分密度大，距离坝体较远部位的网格划分密度小。

在网格划分中，坝体网格选用了计算精度高的Solid65 单元，坝基选用了精度较低的Solid45 单元，这样既满足了计算精度的要求，又节约了时间、提高了计算效率。整个计算域共剖分单元3264 个，其中坝体单元960 个，网格划分如图1。

图1 网格划分

4 计算成果分析

对两种工况分别进行了计算，分析了大坪菁水库主坝在不同工况下的应力应变。两种工况下坝体沿河流方向的应力和变形计算结果如图2～图3。图2～图3中应力以压为正，拉为负。结果分析如表2～表3。

图2 两种工况下坝体应力计算结果

图3 两种工况下坝体变形计算结果

表2 坝体应力计算成果

表3 坝体变形计算成果

根据计算结果可得，工况2（校核洪水位）是坝体应力和位移的控制工况。在此给出工况2 下坝体第1 主应力和第1 主应变分布图形，如图4所示。

图4 工况2 下坝体第1 主应力和第1 主应变计算结果

通过对大坪菁水库主坝在两种工况下的应力应变计算结果进行分析后得出：有限元应力计算结果符合重力坝受力的一般规律。两种工况的应力应变计算结果规律相同。

从表2 可以看出，工况1、工况2 下坝体的最大压应力均小于混凝土的允许压应力值，满足规范要求，并且坝体上游面没有出现拉应力，满足SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》要求。

5 结语

（1）坝体应力在两种工况下的计算结果均满足规范要求，坝体的绝大部分呈现受压状态，并且坝体的应力计算结果满足重力坝受力的一般规律。

（2）由于两种材料交界处产生了应力集中，两种工况坝踵与基岩交界处均出现了局部的拉应力区，这不符合工程实际，需要进行有限元等效应力计算。

（3）在两种运行工况下，重力坝的整体结构变形较小，结构满足正常运用要求；

（4）坝体的变形符合结构受力的一般规律，两坝肩和坝体底部由于受到基岩的约束，坝体的变形值较小，河床部位的坝顶由于约束作用减小，坝体变形的最大值发生在此处。

［1］毕节市勘测设计研究院.贵州省纳雍县大坪菁水库供水工程初步设计报告［R］.2006.

［2］SL319—2005，混凝土重力坝设计规范［S］.

［3］SL25—2006，砌石坝设计规范［S］.

［4］李围，叶裕明，刘青山，等.ANSYS 土木工程应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［5］马文英，刘建中，李显军.水工建筑物［M］.郑州：黄河水利出版社，2003.