新发水库重力坝三维有限元仿真分析

王新伟，刘毅乐，贾小强

（1.毕节市勘测设计研究院，贵州 毕节 551700；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081）

水工设计

新发水库重力坝三维有限元仿真分析

王新伟1，刘毅乐1，贾小强2

（1.毕节市勘测设计研究院，贵州 毕节 551700；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081）

结合工程实例，采用三维有限元软件（ANSYS）对重力坝在3种工况下的应力应变进行了分析。计算结果表明：坝体的应力分布符合有限元计算的一般规律，反映了重力坝的实际应力分布情况，验证了方案的可行性，为该重力坝的设计提供依据。运用有限元软件（ANSYS）对重力坝应力应变进行计算可节约时间，提高工作效率，具有较大的实用价值。

新发水库；重力坝；有限元；应力；应变

重力坝是水工建筑中广泛采用的坝型之一，其基本形状呈三角形，上游面铅直或稍倾向上游，坝底与基岩固结，建成挡水后依靠自重维持稳定，故称重力坝。20世纪50年代以来，我国陆续建成了一大批重力坝，对其研究和探索也越来越广泛和深入。

目前，重力坝的应力分析方法可以归纳为理论计算和模型试验两大类，两类方法彼此补充、相互验证，其结果都要受到原型观测的检验。坝体应力计算，对中等高度的重力坝可采用材料力学法，对结构复杂和复杂地基上的中、高坝用线性或非线性有限元计算，必要时以结构模型试验复核。有限元法在力学模型上近似，在数学解法上严谨，由于其使用方法灵活，适用范围广泛，能够进行复杂结构的应力分析，自20世纪60年代末被用于重力坝应力分析后，迅速发展成为坝工设计和科研的一项重要手段。本文采用有限元法对新发水库重力坝进行应力分析。

1 基本资料

威宁县地处贵州西部，是贵州面积最大、海拔最高、人口众多的县，辖35个乡镇，面积6298km2，平均海拔2200m，新发水库位于威宁县西北面的玉龙乡新发村，水库枢纽位于牛栏江的二级支流曹家河沟上，属长江流域金沙江水系。曹家河发源于威宁县玉龙乡新发村的大黑山，河源高程2265m。坝址距新发村1.1km，距玉龙乡政府15km，距威宁县城104km。

新发水库是以灌溉及灌区农村人畜饮水为供水任务的综合性水库，灌区主要种植烤烟、玉米等农作物，设计灌溉面积1220hm2。坝址处多年平均入库径流量246万m3，设计保证P=80%的灌溉用水量为63.3万m3，兴利库容14.5万m3，总库容29.5万m3。

新发水库坝址位于新发村以东，坝址以上集水面积13.5km2，主河道长4.8km，平均坡降10.59%，流域形状系数0.586，几何特征值5.29。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Ⅴ等，工程规模属小（2）型，大坝、溢洪道、取水建筑物、放水建筑物等主要建筑物为5级，该工程无次要建筑物，临时性建筑物为5级。大坝为砌石重力坝，最大坝高30.20m，坝顶长104.50m，坝顶宽3m，最大坝底宽25.55m。坝顶高程为1710.20m，大坝上游面垂直，下游面在1707.00m高程以上垂直，以下以1∶0.75放坡。大坝底部河床部位及两岸坡设1m厚C15混凝土垫层，上下游面为40cm厚M10水泥砂浆砌C15混凝土预制块，上游面预制块后为0.5m厚C20混凝土防渗墙，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，坝址河床分布有冲积砂卵石层（Q），厚度0～0.5m，分叠性差，结构松散，两岸第四系覆盖层为残坡积层（Q），成份为粘性土夹风化岩屑、岩块等，厚度0～4m不等；坝址基岩为二叠系上统峨眉山玄武岩组（P2β）玄武岩。

工程区域地质构造稳定，能满足工程建设需要，相应地震基本烈度Ⅶ度，属中硬场地稳定地质环境。

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，水库坝址区的岩体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黏土：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5GPa，容重23kN/m3，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

根据SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》，重力坝应力分析时的荷载组合分为基本组合和特殊组合，各种计算工况及其荷载组合如表2。

表2 计算工况及其荷载组合

3 仿真分析

3.1 基本计算假定

（1）坝基岩体和坝体是均匀、各向同性的弹性体，即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）坝基岩体和坝体均为各向同性线弹性材料。

（3）山体除与坝体接触一侧是自由以外，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，本文在建立应力分析模型时，采用了简化的方法，建立了重力坝的简化模型，这样做可以满足计算精度的要求，且节约时间，提高工作效率。

重力坝的应力分析有限元模型由坝体和基岩组成，本文基岩的计算范围采用坝基底下、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 Mesh-ing）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1632个单元，其中坝体单元1152个，网格划分如图1。

图1 网格划分图

4 计算成果分析

对3种在不同工况下的应力应变进行了分析。各工况下坝体应力和变形计算结果如图2～图3（图中应力以压为正，拉为负）。结果分析如表3～表4。

通过计算结果得出：工况3（校核洪水位）是坝体应力和位移的控制工况。重力坝在3种工况下，有限元应力计算结果符合重力坝受力的一般规律；3种工况的应力和应变分布规律相同。

从表3看出：各工况下坝体的最大压应力均小于混凝土的允许压应力，坝体上游面出现了拉应力，但不超过混凝土的容许拉应力，满足规范对有限元应力计算结果的要求。

从表4看出：各工况下坝体的最大变形出现在坝顶中部，从坝顶中部向两坝肩及坝底逐渐减小，最小变形出现在两坝肩及坝体底部，符合重力坝变形的一般规律。

图2 各工况下坝体顺河流方向应力计算结果

图3 各工况下坝体顺河流方向变形计算结果

表3 坝体应力计算成果单位：kPa

表4 坝体变形计算成果单位：m

5 结语

（1）坝体应力在各工况下的计算结果均满足规范要求，坝体的绝大部分呈受压状态，并且坝体的应力分布符合重力坝受力的一般规律。

（2）各工况下坝踵与基岩交界处均出现了局部拉应力区，这是由于在两种材料交界处应力集中造成的，不符合工程实际，需要进行有限元等效应力计算。

（3）各工况下，重力坝的结构变形较小，结构应变满足正常运用要求。

（4）坝体的变形符合结构受力的一般规律。

［1］毕节市勘测设计研究院.威宁县玉龙乡营寨片区烟水配套工程实施方案［R］.2010.

［2］韦山红.基于ANSYS的重力坝应力分析［J］.企业科技与发展，2013.

［3］温中华，李欣.重力坝三维有限元分析［J］.华北水利水电学院学报，2010.

［4］SL319—2005，混凝土重力坝设计规范［S］.

［5］SL25—2006，砌石坝设计规范［S］.

［6］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.

［7］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.

The finite element simulation analysis of Xinfa gravity dam

WANG Xin-wei1，LIU Yi-le1，JIA Xiao-qiang2
（1.Bijie City Survey Design and Research Institute，Bijie 551700，China；2.PowerChina GuiyangEngineering CorporationLimited，Guiyang 550081，China）

Combined with practical engineering，we analyzed the stress and strain under 3 working conditions of gravity dam by the finite element software（ANSYS）.The results show that the stress distribution of the dam body accordswith the general rules of FEM（finite elementmethod）and reflects the actual stress distribution of gravity dam，the result validated the feasibility of the project and provided the basis for the design of the gravity dam.The stress and strain of gravity dam was analyzed using finite element software（ANSYS）not only can improve calculating speed，but also can increase efficiency greatly，which will has a high practical value.

Xinfa reservior；gravity dam；FEM；stress；strain

TV222

B

1672-9900（2015）01-0042-04

2014-11-24

王新伟（1983-），男（汉族），陕西西安人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作，（Tel）15338570821。