浇筑层数对重力坝仿真结果影响研究

肖智斌，周贤茂

（江西省吉安县水利局，江西 吉安 343100）

混凝土重力坝作为主要挡水建筑物，在水利工程中被广泛应用。重力坝主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求，同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求，其结构形式决定了自重荷载的施加方式直接影响工程的数值仿真结果。常规的有限元静态仿真分析中通常将各类荷载一次性施加在仿真对象上，忽略了荷载的时间差异，特别对于混凝土重力坝而言，其分层浇筑的施工过程将极大程度的影响自重荷载的加载路径和结构整体的变化趋势。

当前已有大量学者对水利工程中分层浇筑问题展开研究，但多数成果集中于土石坝的变形稳定分析以及重力坝的温控仿真，少有关于重力坝分层浇筑情况对结构应力变形状态的影响分析[1～3]。赵飞等利用ANSYS模拟大坝浇筑过程，研究了混凝土分层浇筑对坝体变形和应力的影响，但忽略了分析分层高度对仿真结果的影响，因此所得结果适用于单独的工程案例，而无法成为共性问题的参考[4]。本文采用有限元法对某工程进行仿真分析，通过合理的分组划分坝体单元，采用分块求解技术模拟重力坝分层浇筑过程，系统分析不同分层浇筑情况对重力坝仿真结果的影响，以期为重力坝施工设计提供可靠的理论依据。

1 工程概况

某水电站位于云南省，工程主要挡水建筑物为碾压混凝土重力坝。工程最大坝高160.00m，坝顶长640.00m，最大坝底宽度150.00m。选取其中某非溢流坝段进行分析，该坝段断面模型如图1所示，为考虑分层浇筑施工过程，将坝体分为39组单元，并建立薄层单元模拟建基面，坝段单宽30.00m，地基范围按不同方向各取两倍坝高，取坝顶上游处A点作为位移分析特征点。为取得较为精细的模拟结果，坝体有限元网格竖直向尺寸约为1.00m，有限元模型共98 087个结点，86 440个单元。

图1 某重力坝有限元模型示意图

2 计算参数及仿真理论

2.1 材料参数

某重力坝的材料参数如表1所示。

表1 材料参数

2.2 仿真理论及仿真条件

本文主要围绕不同分层浇筑高度对重力坝仿真结果的影响展开研究，采用国内自主编译的Fortran程序进行计算。计算时在地基两侧施加法向固定约束，地基底部施加三向固定约束，分层施加自重荷载，并在浇筑全部完成后施加静水荷载，其坝前水深取154.00m。

重力坝的分层浇筑过程采用分块求解技术，将有限元模型中的单元组定义为“生死单元”。所谓“生死单元”即是判断该组单元是否参与运算，将当前运行块参与运算的单元定义为“生”，此时该组的单元节点信息、材料信息以及荷载信息将会被激活，而当前运行块不参与运算的单元则定义为“死”，此时该组的单元节点信息、材料信息以及荷载信息将会被设置为0。计算时根据施工顺序，第一块为地基自重沉降处理，即只有地基一组单元为“生”，坝体单元均为“死”，计算后将地基自重沉降产生的位移清零，保留应力结果作为第二块运算的初始地应力；第二块将第一层浇筑单元与地基共同运算，计算后由自重沉降产生的位移和应力结果均作为第三块运算的初始值，不做清零处理；依次类推完成坝体浇筑计算，在最后一块运算中加入静水荷载，完成全部仿真计算。

通过改变分层浇筑高度，将计算组合设立为8种工况进行仿真分析，各计算工况下的浇筑高层以及计算运行块数如表2所示。

表2 计算工况

3 仿真结果分析

3.1 位移结果影响分析

某重力坝不同浇筑层数对坝体自重沉降分布的影响见图2，如图所示，浇筑分层数量不同将直接影响坝体各个部位的变形规律及沉降数值。图2（a）中坝体自重采用常规仿真方式一次性求解，刚性坝体整体沉降使得沉降最大值出现在坝体顶部，而通过图2（b）至图2（h）可以看出，坝体沉降最值均出现在第一块浇筑层的顶部，因此浇筑分层越细，实际沉降分布规律越趋近连续，也印证了按实际浇筑分层模拟重力坝施工过程的重要性。

图2 不同浇筑层数对应坝体自重作用下沉降分布图（mm）

不同浇筑层数对坝体位移的影响见图3与图4，其相应数值见表3。如图3所示，坝体自重沉降最值与静水荷载下竖直向位移最值随浇筑层数的变化趋势一致，静水荷载作用下竖直向变形幅度随浇筑层数增加而降低。自重沉降最值与静水荷载下竖直向位移最值变化幅度的拐点出现在case4工况，case4工况的坝体自重沉降相比case1工况降低了25.36%，而case8工况相对case4工况仅降低了6.29%；case4工况的静水荷载下竖直向位移相比case1工况降低了6.21%，而case8工况相对case4工况仅降低了4.54%。如图4所示，特征点A处的变化更为明显，当case2工况开始考虑分层时，自重沉降相比case1工况降低了55.68%，静水荷载下竖直向位移降低了73.32%。特征点处位移变化幅度的拐点出现在case5工况，自重沉降相比case2工况降低了88.72%，静水荷载下竖直向位移由向下变为向上，这是由于整体自重沉降对坝顶部位的影响随分层浇筑的块数增加而降低，静水荷载作用下坝体整体向下游面倾斜，上游面坝顶将不可避免的出现竖直向上移动。

图3 不同浇筑层数对坝体位移最值的影响

图4 不同浇筑层数对特征点A位移的影响

表3 不同浇筑层数对应坝体位移值 mm

3.2 应力结果影响分析

不同浇筑层数对坝体应力分布的影响见图5，由图5（a）至图 5（e）可见，当浇筑分层块数较少时，坝体顶部和底部均易形成高拉应力区，此时结构的易损部位无法判断，亦无法在施工过程中改善结构的应力集中。而由图 5（f）至图 5（h）可见，当浇筑分层越来越细致后，高拉应力区逐步缩减至下游坝坡及坝趾局部区域，此时可以在施工过程中对重点易损部位加以改善。

不同浇筑层数对坝体应力最值的影响见图6，其相应数值见表4。如图所示，不论自重荷载作用下还是静水荷载作用下，坝体最大拉应力均随浇筑层数的增加而增大，且近乎成线性变化，在图6（a）中前部出现的突变是由于从整体到分层施载方式的变化引起应力分布改变而产生的。自重荷载作用下case8工况相对case4工况增加了17.32%，静水荷载作用下case8工况相对case4工况增加了13.97%，这意味着不考虑分层浇筑的仿真结果将无法真实反映坝体的受拉破坏情况。

图5 不同浇筑层数对应自重作用下坝体拉应力分布图（Pa）

图6 不同浇筑层数对坝体拉应力最值的影响

表4 不同浇筑层数对应坝体应力值 MPa

4 结语

本文采用有限元法对某工程进行仿真分析，通过合理的求解技术模拟重力坝分层浇筑过程，系统分析不同分层浇筑情况对重力坝坝体应力与位移结果的影响。

研究结果表明，分层浇筑的施工过程将极大程度的影响自重荷载的加载路径和结构整体的变化趋势，浇筑分层越细，实际沉降分布规律越趋近连续。浇筑层数对自重沉降变化的影响较大，文中case4工况的坝体自重沉降相比case1工况降低了25.36%，而随后变形幅度随浇筑层数增加而降低，case8工况相对case4工况降低了6.29%，这也印证了按实际浇筑分层模拟重力坝施工过程的重要性；同时坝体最大拉应力均随浇筑层数的增加而增大，且近乎成线性变化，这意味着不考虑分层浇筑的仿真结果将无法真实反映坝体的受拉破坏情况。