基于ANSYS的深覆盖层混凝土面板堆石坝应力变形分析

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(1.兰州城市学院，兰州 730000； 2.瑞和安惠项目管理集团有限公司，石家庄 050000)

1 概 述

混凝土面板堆石坝是在堆石体上游面坡处设置一层混凝土面板而防渗的坝型，它具备对地质地形适应性强、施工方便、投资省、运行安全以及抗震性好等特点[1]。随着碾压混凝土技术的发展，混凝土面板堆石坝逐步在我国得到非常广泛的应用，其数量及坝高均在不断增加[2]。因我国幅员辽阔，各地区之间的地质地形有较大差异，在施工过程中可能遇到覆盖层厚度较大的河谷地形，为避免因开挖全部覆盖层使工程量及工程投资过大，需在深厚覆盖层上修建混凝土面板堆石坝。深覆盖层上的面板堆石坝受覆盖层影响，在施工期即会产生沉降变形，在运行期坝体的沉降变形将会越来越大，若工程措施采用不当，坝体将产生过大裂缝使坝体整体性遭到破坏，导致渗漏等问题，严重影响坝体的安全运行。因此，研究深覆盖层复杂地基上混凝土面板堆石坝的应力变形问题是非常必要的。鉴于此，本文以建立在深覆盖层上的察汗乌苏混凝土面板堆石坝为研究对象，应用ANSYS软件建立其三维有限元模型，模拟大坝分层填筑及加载的过程，并对大坝竣工期、死水位、正常蓄水位等工况下堆石体及混凝土面板的应力变形情况进行分析，以期揭示深覆盖层上混凝土面板堆石坝在各工况下的应力变形规律，为工程设计提供支持。

2 材料与研究方法

2.1 工程概况

察汗乌苏水电站位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州和静县境内，电站总装机容量300 MW，正常蓄水位以下库容1.083×108m3，属于大(Ⅱ)型水利枢纽工程，水库死水位为1 610.00 m，正常蓄水位为1 645.00 m。大坝坝型为混凝土面板堆石坝，大坝长度为347.36 m，坝顶宽度为10.0 m，坝顶高程1 561.6 m，最大坝高为107.6 m，上游坝坡为1∶1.5，面板厚度为1.0～1.8 m，下游平均坡度为1∶1.80。大坝堆石料由上游至下游依次为垫层料、过度料、主砂砾石、次砂砾石、下游堆石料。坝址河床覆盖层平均厚度达40 m，地基处理方式为将趾板直接放置在砂砾石覆盖层上，在覆盖层内部设置一道长度为120.11 m的混凝土防渗墙进行地基防渗，并通过连接板、趾板与混凝土面板相连，形成完整的防渗体系。坝体典型断面见图1。

2.2 材料本构模型及参数

在有限元数值模拟中，坝体及地基材料采用Duncan Chang 非线弹性E-B模型[3-6]，通过ANSYS的参数化设计语言ADPL对其进行二次开发，混凝土面板及混凝土防渗墙采用线弹性模型，混凝土面板与垫层、防渗墙与覆盖层之间的接触面采用无厚度Goodman接触单元[7-10]进行模拟。

Duncan Chang 非线弹性E-B模型的切线弹性模量Et计算公式为：

(1)

切线体积模量Bt计算公式为：

(2)

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；Pa为大气压力；C、φ为土体抗剪强度指标；Rf为破坏比；K为弹性模量；n为弹性模量指数；Kb为体积模量；m为体积模量指数。

由室内三轴试验得到坝基及坝体各分区材料参数[11]，见表1。

图1 察汗乌苏混凝土面板堆石坝典型横剖面图(高程单位：m)Fig.1 The Typical transverse section plan of concrete face rockfill dams of Chahanwusu(Elevation Unit：m)

材料名称γd/g·(cm3)-1KKbRfnmφ/(°)Δφ/(°)主砂砾石2.1912605220.8910.400.1753.210.4次砂砾石2.169304150.8230.280.0551.49.3下游堆石料2.109004650.8660.370.1554.410.7过渡料2.201 4006650.9500.420.4051.27.9垫层料2.201 5006750.9500.420.4051.27.9坝基砂砾石2.141 2004500.8400.440.2048.57.2坝基粗砂1.848504050.7450.330.0446.53.2面板2.35280 000140 000///40.0/防渗墙2.35315 000150 000///40.0/

2.3 有限元模型

根据坝体结构在ANSYS中建立三维有限元模型，见图2。坐标采用笛卡尔直角坐标系，原点为坝体中线与覆盖层表面的交点，顺水流方向为X正向，竖直朝上为Y正向，沿坝轴线从左岸至右岸方向为Z正向。为考虑到坝基深覆盖层对大坝应力变形的影响，模型坝基及坝肩部位的范围设为：自上游坝脚处向上游方向延伸100 m，自下游坝脚处向下游方向延伸150 m，坝基厚度取为覆盖层的平均厚度40 m，坝肩自堆石体左右侧面各向外延伸50 m，堆石体、混凝土面板及覆盖层部位均采用三维实体单元Solid65进行网格划分，混凝土面板与垫层的接触面分别采用目标单元Targe170及接触单元Conta173来划分目标面及接触面以模拟两者的相互作用，计算模型共划分单元总数31 320个，节点总数34 626个。模型底部施加固定约束，上下游边界面及左右边界面均施加法向约束，其余结构面均为自由面。为模拟坝体的分层填筑施工过程，利用ANSYS的“单元生死”功能对坝体进行分级加载[12-13]。

图2 察汗乌苏混凝土面板堆石坝三维有限元计算模型Fig.2 The three-dimensional finite element model of Chahanwusu concrete face rockfill dams

3 结果与分析

3.1 坝体应力变形特性

本文选取最大坝高典型断面对察汗乌苏混凝土面板堆石坝的应力变形特性进行分析。现以大坝竣工期工况为例进行分析，图3为竣工期大坝主应力等值分布云图。由图3可知，坝体竣工后在自重应力作用下，大主应力对应的最大受拉区位于上游坝脚处混凝土面板与趾板连接处，最大拉应力值为21.60 kPa。大主应力对应的最大受压区位于坝体横剖面中部对应的覆盖层底部，最大压应力值为2.12 MPa。小主应力对应的最大受拉区同样位于混凝土面板与趾板连接处，最大拉应力为0.87 kPa。小主应力对应最大受压区同样位于坝体横剖面中部对应的覆盖层底部，最大压应力为3.74 MPa。

图3 竣工期大坝主应力等值分布云图(单位：Pa)Fig.3 The chorogram of principal stress at the time of completion (Unit: Pa)

图4为竣工期大坝变形位移等值分布云图。由图4可知，对于X向横向变形，竣工期上游坝体向逆流方向发生变形，而下游坝体向顺流方向发生变形，最大顺流位移位于下游坝脚底部覆盖层下约10 m处，其值为12.32 cm，最大逆流位移位于上游坝脚底部覆盖层下约20 m处，其值为12.98 cm，可见竣工期上下游坝体横向位移最大值大致相等。对于Y向竖直变形，坝体整体发生下沉，最大沉降量为65.02 cm，最大沉降变形区域位于偏向坝体底部的位置，而修建于基岩上的坝体最大沉降变形区域往往位于坝体中部位置，因此可见深覆盖层对其上部的坝体的沉降变形有较明显的影响。

将3种工况下大坝的应力变形分析结果汇总，见表2。对比分析3种工况下坝体应力分布可知，3种工况下大坝大小主应力对应的最大拉应力及最大压应力发生的位置大致相同，但随库水位的增加，坝体大主应力最值逐渐增大，而小主应力最值略有减小。因蓄水作用，大坝垫层区大小主应力对应的压应力均有所增大，譬如与竣工期相比，死水位工况下垫层区大主应力对应的压应力最大值由0.22 MPa增加至0.68 MPa。总体上，蓄水后大坝上游大主应力受压区范围较下游为大，因此大坝大主应力呈不对称分布，而小主应力呈对称分布。对比分析3种工况下坝体位移分布可知，库区蓄水后水压力通过面板传递至堆石体，随库水位的增加，上游坝体的逆流向位移将显著减小，且其最大值区域逐渐向上游移动，而下游坝体的顺流向位移略有增加，且其最大值区域逐渐向下游移动。对于竖向位移，蓄水引起的坝体下沉量增加不大。

图4 竣工期大坝变形位移等值分布云图(单位：m)Fig.4 The chorogram of dam′s deformation and displacement at the time of completion(Unit: m)

工况大主应力 /MPa小主应力 /MPa横向位移 /cm最大压应力最大拉应力最大压应力最大拉应力逆流向最大位移顺流向最大位移竖向位移最大下沉量/cm竣工期2.1221.603.740.8712.9812.3265.02死水位2.1622.703.700.8611.7913.0264.91正常蓄水位2.2123.503.690.8611.6614.2266.18

3.2 混凝土面板应力变形特性

对3种工况下混凝土面板的应力变形特性进行分析。图5为竣工期大坝混凝土面板主应力等值分布云图。由图5可看出，对于大主应力，竣工后面板主要受到压应力作用，仅在面板上部及岸坡处出现较小拉应力，压应力最大值出现在面板底端中部位置。对比分析3种工况下面板应力分布云图(图略)可知，蓄水后，在水压力作用下，面板顶部的拉应力及中下部的压应力均有所增加，蓄水至正常蓄水位时，拉应力最大值为1.84 MPa，压应力最大值为4.12 MPa。对于小主应力，竣工后面的板河床段部位主要处于压应力状态，而岸坡部位处于拉应力状态，其中压应力最大值为22.40 MPa，拉应力最大值为1.63 MPa，蓄水后在水压作用下，随库水位的增加面板所受拉应力值逐渐增大，而压应力值逐渐减小，蓄水至正常蓄水位时，压应力最大值减小至14.90 MPa，拉应力最大值增大至3.03 MPa，可见压应力的变化幅度明显大于拉应力变化幅度。

图6为竣工期大坝混凝土面板变形位移等值分布云图。由图6可看出，对于X向横向位移，竣工后面板两侧发生了较小的顺流向位移，其最大值仅有0.06 cm，而面板中部即河床段部位发生了逆流向位移，且其值较大，最大逆流位移为5.85 cm。由此可见，竣工后混凝土面板产生鼓起脱空的现象，因此要求面板混凝土材料具有一定抗弯能力。对比分析3种工况下面板变形位移分布云图(图略)可知，蓄水后随库水位的增加，面板顺流向位移明显增加，而逆流向位移减小。蓄水至正常蓄水位时，面板中下部出现较大顺流向位移，而面板四周出现较大逆流向位移，其中顺流位移最大值达7.80 cm，逆流位移最大值为1.00 cm，由此可见随库水位增加面板的鼓起脱空现象将逐渐消失。对于Y向的位移变形，3种工况下面板均仅发生向下的沉降，最大沉降区域出现在面板底部。随库水位增加，面板沉降量逐渐增大，蓄水至正常蓄水位时最大沉降量达7.80 cm。

3种工况下大坝混凝土面板的应力变形分析结果汇总见表3。

图5 竣工期大坝混凝土面板主应力等值分布云图(单位：Pa)Fig.5 The chorogram of principal stress on dam′s concrete panel at the time of completion(Unit: Pa)

图6 竣工期大坝混凝土面板变形位移等值分布云图(单位：m)Fig.6 The chorogram of deformation and displacement on dam′s concrete panel at the time of completion(Unit: m)

工况大主应力 /MPa小主应力 /MPa横向位移 /cm最大压应力最大拉应力最大压应力最大拉应力逆流向最大位移顺流向最大位移竖向位移最大下沉量/cm竣工期3.660.0922.401.635.850.068.40死水位3.890.5517.201.902.402.9812.50正常蓄水位4.121.8414.903.031.007.8017.50

4 结 论

1) 3种工况下，坝体大小主应力对应的最大拉应力均出现在混凝土面板与趾板连接处，最大压应力均出现在坝体横剖面中部对应的深覆盖层底部。蓄水后坝体大主应力呈偏向上游的不对称分布，小主应力呈对称分布。随库水位增加，坝体大主应力逐渐增大，小主应力略有减小。

2) 3种工况下，在X方向上游坝体向逆流方向发生位移变形，下游坝体向顺流方向发生位移变形，随库水位的增加，逆流向横向位移减小，最大逆流位移区域向上游移动；顺流向横向位移增加，最大顺流位移区域向下游移动。3种工况下在Y向坝体均只发生向下的位移变形，随水位的增加，竖向变形变化不大。

3) 竣工后面板大主应力主要为压应力，且底部压应力最大，坝顶及岸坡出现较小拉应力，随库水位增加，面板压应力及拉应力均增大。竣工后面板河床段小主应力主要为压应力而两岸坡处面板部分小主应力主要为拉应力，随库水位增加，面板所受拉应力增大而压应力减小，但压应力变化幅度较大。

4) 竣工后面板两岸坡部分发生较小的顺流向横向位移，而河床段发生较大的逆流向横向位移，面板出现鼓起脱空现象，随库水位增加，面板顺向位移逐渐增大，而逆向位移逐渐减小，脱空现象逐渐消失。3种工况下在Y向面板均只发生向下的位移变形，最大值出现在面板底端中部，且随库水位增加其值逐渐增大。