材料渗变效应下的面板坝静力有限元分析

陈 微

(方正县双凤水库综合服务中心，黑龙江 方正 150800)

1 绪 论

混凝土面板坝设计时，主要对坝体、面板的变形分布，施工缝的的拉伸压缩量进行重点预测分析，从而作为坝体设计施工、安全运行提供有利的理论支撑。现代混凝土面板坝坝体结构主要包含混凝土面板、垫层料、过渡料、堆石区等部分，主要防渗体系为面板与趾板和防渗墙，而堆石区支撑和保护面板坝，其合理模拟将直接影响着坝体结构计算的准确性。因此若能充分考虑材料流变作用[1]，合理的进行有限元模拟分析，对研究高面板砂砾石材料渗变效应下的静力计算具有非常重要的理论指导意义。

2 施工及蓄水模拟步骤

面板砂砾石坝的施工模拟时选取一定厚度的填筑碾压层作为一级加载，当施工至第n层时，将砂砾石料自重荷载定义为瞬时荷载加载到n-1层，其上部结构不受影响，通过施工步数的增叠加，逐渐实现坝体分层施工过程。

ADINA软件中使用分期蓄水对应不同高程来控制模拟蓄水过程：①第1期蓄水在模型相应水位加载水荷载；②第2期蓄水在第1、2期蓄水位间面板处加载水荷载，同样以此类推[2]。水荷载逐级加载示意图，见图1。

图1 水荷载逐级加载示意图

3 工程实例

3.1 工程概况

某水利枢纽位于中国西北青海省内[3]，工程规模为大(2) 型，水库总库容1.85亿m3，水电站总装机18MW。大坝最大高度为123.8m，坝顶高程2891.3m，正常蓄水位为2883.6m，坝顶长442m，宽14m，上游坝坡1∶1.55，下游坝坡1∶1.5。枢纽建筑物主要由面板坝、引水发电洞、溢洪道以及电站等组成。

3.2 有限元模型

该面板坝有限元范围定义为：竖直向至大坝基岩面，左右至坝体两岸的基岩面，水平向上游取至趾板，下游取一倍坝高。坝基底部施加固定铰约束，两岸和岸坡施加法向约束[4]。面板砂砾石坝三维有限元模型，见图2。

图2 面板砂砾石坝三维有限元模型

面板坝数值模型剖分主要采用六面体八节点单元，模型共计剖分实体单元5782个，接触面单元313个，节点总数6716个。材料分区按大坝断面按设计材料分区为5个区，并且在下游面板与垫层料间设置面—面接触[5]。大坝填筑料的E-B模型参数，见表1。

表1 大坝填筑料的E-B模型参数

3.3 计算结果

在大坝静力有限元模拟中，坝体填筑、面板浇筑和蓄水过程总共分15步进行仿真模拟，前13步模拟大坝填筑到顶高程2893.8m，第14步模拟面板浇筑至2889.0m，第15步模拟坝体蓄水至正常高水位2886.4m。竣工期坝体竖向位移等值线图，见图2；竣工期坝体水平位移等值线图，见图3；竣工期坝体水平位移等值线图，见图4；竣工期坝体竖向位移等值线图，见图5。

图2 竣工期坝体竖向位移等值线图

图3 竣工期坝体水平位移等值线图

图4 竣工期坝体水平位移等值线图

图5 竣工期坝体竖向位移等值线图

大坝变形统计结果，见表2。

表2 大坝变形统计结果

从以上有限元计算结果可以总结出：坝体竣工期的最大竖向位移为0.369m，大致位于横断面的1/2处，蓄水后因水荷载作用，位移值增大到0.393m，较前者约增加6.76%，整体分布规律和前者大致相似。大坝最大沉降量位于1/2河谷处。大坝竣工期水平向上游位移为0.124m，水平向下游为0.112m，基本出现在坝坡内侧的偏下部。蓄水期大坝水平向向上游位移0.065m，向下游0.124m，对比竣工期明显位移变化值增大，位移等值线图的整体变化趋向下游，分析是因为水压力荷载所致。不同工况下的大坝堆石体沿坝轴向位移均指向河谷中央，分布规律较为相似，因大坝右岸较陡，其位移量相对于左岸有所增加。

3.4 坝体应力计算结果分析

竣工期坝体大主应力等值线图，见图6；竣工期坝体小主应力等值线图，见图7。

图6 竣工期坝体大主应力等值线图

图7 竣工期坝体小主应力等值线图

从以上有限元结果图可以看出：竣工期大坝剖面大主应力最大值为2.628MPa，蓄水后其值变化为2.779 MPa，增大6.3%；竣工期坝体小主应力最值为1.093 MPa，蓄水期为1.236 MPa，增加了11.5%。对比分析认为蓄水后坝体的主应力基本呈上升趋势，但变化规律基本一致，最大值均出现在大坝下部坝轴线附近，坝体中部小主应力分布较少。同时，因上游库水压力作用，大坝上游部分坝坡的应力值有所增加。

4 结 论

文章基于材料渗变效用的基本原理，结合实际工程建立三维有限元模型，计算坝体材料在渗变效用下的应力变形，结果表明在低面板坝中，流变变形效用较小，可以不考虑。在高面板坝中堆石料的流变效应对坝体和面板的应力变形影响较大，设计研究时应选用合理的流变本构模型，对材料的流变变形发展进行重点分析，进而在工程设计中采取相应的措施，这对工程技术经济指标的提高具有长远意义。