基于ABAQUS的塑性混凝土心墙坝应力变形分析

李艳丽

(延寿县水务局水政水资源管理办公室，黑龙江 延寿 150700)



基于ABAQUS的塑性混凝土心墙坝应力变形分析

李艳丽

(延寿县水务局水政水资源管理办公室，黑龙江 延寿 150700)

混凝土防渗心墙近些年在在土石坝工程中有着重要应用，是重要的防渗型式之一，特点施工方便、防渗效果好等优点得到广泛应用。塑性混凝土由于其具有渗透系数小、弹性模量与模强比低、能够较好的适应周围土体变形等特点而受到人们的广泛关注。文章以塑性混凝土心墙坝的变形和应力变化问题为研究对象，运用大型有限元软件ABAQUS。计算竣工期和蓄水期两种不同工况下位移和应力变化分析计算，进而总结出塑性混凝土心墙坝在不同工况下应力变形分布规律。

塑性混凝土；防渗心墙；应力变形；有限元软件

0 前 言

土石坝是历史最为悠久的一种坝型，也是世界坝工建设年中最为广泛和发展最快的一种坝型[1]。在土石坝枢纽工程中，防渗体系以其技术的复杂性、结构的重要性和投资比重大等因素，占据着十分重要的位置。塑性混凝土是一种新型防渗材料，和普通混凝土比较，塑性混凝土的胶凝材料既有水泥，还有黏土、膨胀土等，有时候也在塑性混凝土中掺加外加剂、粉煤灰来改善其特性并节省水泥用量。

1 工程概况

王圪堵水库位于陕西省榆林市横山县县城西北方向，距市区60km。该水库主要是拦沙、供水，发电、灌溉为辅的水利工程。该工程级别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型，是当地水利工程建设历史上级别最高的水利工程。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和坝后电站等主要建筑物组成[2]。

坝体为塑性混凝土心墙碾压砂坝，拦河坝按100a一遇洪水设计，2000a一遇校核。水库正常蓄水位1052.00m，校核洪水位1053.75m，设计洪水位1052.86m，。坝顶高程1055.00m，死水位为1031.00m。坝体清基后基础高程为1010.00m，最大坝高46.0m，坝长942.0m，坝宽8.5m。大坝标准横剖面见图1。

图1 王圪堵水库大坝标准横剖面图

2 有限元数值模型

大坝坝体取左岸侧共计530m长的坝段，坝基底部取至基岩面、高程998m处，坝基上、下游河床分别取至距上、下游坝坡坡脚1倍坝高(44m)处，左岸坝肩取至从坝0+000向左岸延伸50m处。根据几何模型的具体特点，对大坝及坝肩采用四节点四面体单元C3D4与八节点六面体单元C3D8相结合进行剖分，共剖分实体单元总数为56523，节点总数为35302。

有限元模型见图2。其中，坐标系的正向约定为：沿坝轴线方向自左向右为X轴正向，沿上下游方向为Y轴正向，竖直向上为Z轴正向。

模型边界条件：模型底部边界取为固定，模型上、下游及左侧面边界取为沿相应边界面法向的水平约束，模型右侧面边界取为对称约束。

图2 王圪堵塑性混凝土心墙坝三维有限元网格图

3 计算结果

3.1 施工期计算结果

1)位移计算：图3-图4为竣工期坝体最大断面的竖向位移和水平位移等值线分布图，计算得知，坝体最大垂直位移发生在坝体中上部，位移为39.3cm。坝体水平位移以横剖面为界，出现两个极值区，坝体上游水平位移最大为23.7cm，坝体下游部分的水平位移指向下游，其最大值为33.4cm，两个极值区的中心均基本在上、下游坝坡的1/2坝高。

图3 竣工期坝体最大断面垂直位移等值线图

图4 竣工期坝体最大断面水平位移等值线图

2)应力分析：图5-图6为竣工期坝体最大断面大、小主应力等值线图，从计算结果来看，坝体应力分布较为规则，呈连续变化。其中，坝体大主应力最大值为1.06MPa，位于坝体底部塑性混凝土心墙上下游两侧，为压应力；小主应力最大值为0.84MPa，位置也在坝体底部塑性混凝土心墙上下游两侧，为压应力。

图5 竣工期坝体最大断面大主应力等值线图

图6 竣工期坝体最大断面小主应力等值线图

3.2 蓄水期计算结果

1)位移计算：图7-图8为蓄水期坝体最大断面的垂直位移及上下游方向水平位移等值线分布图，由图可以看出，坝体最大垂直位移大体发生在坝体中部、靠上游侧。蓄水后，上游坝体填料水位以下容重变为浮容重，而且受到浮托力作用，上游坝体有向上抬动的趋势；最大垂直位移为43.2cm，大约位置在0.5h处。大坝上游部分的水平位移最大值为18.5cm，下游部分的水平位移指向下游，最大值为47.2cm。此工况与之前比较，坝体由于受水压力作用，大坝整体位移均有向下游推进的趋势，而坝体上游部分向上游的水平位移趋势略微有所减小，坝体下游部分向下游的水平位移趋势有所增大。

图7 蓄水期坝体最大断面垂直位移等值线图

图8 蓄水期坝体最大断面水平位移等值线图

2)坝体应力分析：图9-图10为蓄水期最大断面大、小主应力等值线图，图中结果显示，在自重和水压力联合作用下，大、小主应力的分布规律与施工期基本相同，大主应力最大值增大为1.55MPa，小主应力增大为1.02MPa。

同时，上游坝壳填料由于水的浸入作用以及浮托力的作用，大小主应力较下游要小。

图9 蓄水期坝体最大断面大主应力等值线图

图10 蓄水期坝体最大断面小主应力等值线图

4 总结与展望

本文运用ABAQUS有限元软件对王圪堵水库工程进行了数值模拟，模拟计算了塑性混凝土心墙坝在施工期与蓄水期两种工况下坝体与心墙的应力与变形， 在不同工况下，大坝的位移分布特征和均质土坝相似。以坝体最大纵剖面划分，各计算期大坝的水平(沿上下游方向)位移呈现两种趋势，大坝上游部分的水平位移指向上游，下游部分的水平位移指向下游，其变化相对较均匀，基本可以判定大坝不存在过大的不均匀沉降问题。应力分布规律基本合理，工程的安全性可以得到保证。

塑性混凝土具有较小的渗透系数，良好的变形性能，较低的弹性模量等优良性能，值得在水利工程中推广使用，尤其是在土石坝除险加固工程中的应用。

[1]王柏乐，刘瑛珍，吴鹤鹤.中国土石坝工程建设新进展[J].水力发电：专题综述，2005，31(01):63-65.

[2]刘志红.浅谈塑性混凝土防渗墙在水利水电工程中的应用[J].水利技术监督，2000(03):22-25.

1007-7596(2017)02-0054-02

2017-02-17

李艳丽(1964-)，女，黑龙江延寿人，工程师。

TV

B