劉毅樂，王新偉

（畢節(jié)市勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州畢節(jié)551700）

1 概況

納雍縣位于畢節(jié)市的南部，貴州省的西北部。境內(nèi)河流屬長江流域，大部分河流匯入六沖河。六沖河的一級(jí)支流五左河發(fā)源于納雍縣大房頭，大坪菁水庫壩址位于五左河上游段的一級(jí)支流木城河和水東河源頭，距納雍縣城47km（直線距離14km）。

大坪箐水庫供水工程的任務(wù)主要為城鎮(zhèn)供水。水庫集雨面積5km2，水庫興利庫容265 萬m3，總庫容315 萬m3，設(shè)計(jì)保證率P=95%下最大日供水量達(dá)0.87 萬m3，年平均凈供水量318 萬m3，年平均毛供水量338 萬m3。

大坪箐水庫主壩位于木城河源頭下游760m 處，根據(jù)SL252—2000 《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬?。?）型，主壩等主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)。主壩為混凝土砌毛石重力壩，壩頂長度264.12m，壩頂高程2006.71m，壩基面高程為1978.30m，最大壩高28.41m，壩頂寬4m，最大壩底寬21.77m，上游面垂直；下游面在2001.26m 高程以下壩坡為1∶0.75，以上垂直。壩基開挖至弱風(fēng)化上部，采用厚1.0m C15 混凝土作為壩基墊層。上游面為0.5m 厚W4F100C15鋼筋混凝土防滲面板，下游面為0.5m 厚M10 水泥砂漿砌C15 混凝土預(yù)制塊，中部為C10 細(xì)石混凝土砌毛石。壩頂上游面設(shè)置1.2m 高防浪墻，下游面設(shè)置1.2m 高欄桿。

2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

2.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地表地質(zhì)勘察，大坪箐水庫主壩壩址的河床覆蓋層較薄，左右岸覆蓋層厚度0～1.5m，河床部位第四紀(jì)沖淤積覆蓋層厚3.0m，主壩壩址區(qū)出露基巖地層為二疊系上統(tǒng)峨嵋山玄武巖組（P2β）的玄武巖，上部強(qiáng)風(fēng)化層厚5.0m，下部弱風(fēng)化層厚10.0m。

工程區(qū)無活動(dòng)斷層分布，區(qū)域地震基本烈度為Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35s，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性良好。

根據(jù)巖體勘探及取樣室內(nèi)試驗(yàn)成果，參照并結(jié)合有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，主壩壩址區(qū)的巖石部分物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)建議取值如表1。

表1 壩址巖體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)取值

根據(jù)試驗(yàn)和規(guī)范及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)類比得出：①粘土：容重17kN/m3，內(nèi)摩擦角12°，內(nèi)聚力0.03MPa，承載力標(biāo)準(zhǔn)值150kPa；②沙卵石層：容重20kN/m3，浮容重8～10kN/m3，內(nèi)摩擦角17°，內(nèi)聚力0.03MPa，承載力標(biāo)準(zhǔn)值200kPa；③淤沙：容重13～14kN/m3，浮容重8～10kN/m3，內(nèi)摩擦角8°；④壩體：彈模6～8GPa；⑤容重23kN/m3；⑥強(qiáng)風(fēng)化玄武巖抗沖刷系數(shù)1.5，弱風(fēng)化玄武巖抗沖刷系數(shù)1.2。

2.2 計(jì)算工況

重力壩承受的荷載主要有：自重、靜水壓力、動(dòng)水壓力、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、冰壓力、浪壓力、地震荷載等。

重力壩抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力計(jì)算的荷載組合分為基本組合和特殊組合。

3 仿真分析

3.1 基本計(jì)算假定

（1）壩基巖體和壩體混凝土是均勻、各向同性的彈性體，認(rèn)為從壩基或壩體內(nèi)任一點(diǎn)處取出單元體積，能代表整個(gè)壩體或壩基的力學(xué)性能。

（2）壩基巖體和壩體混凝土為各向同性線彈性材料。

（3）山體除與壩體接觸一側(cè)是自由外，其他方向?yàn)榉ㄏ蜻B桿約束，壩基底部為三向約束。

3.2 模型的建立

建立重力壩的實(shí)際模型比較困難，因此在建立重力壩的有限元應(yīng)力分析模型時(shí)，采用了簡化方法，建立了重力壩的簡化模型，這樣做既可以滿足計(jì)算精度要求，又節(jié)約時(shí)間，提高工作效率。

重力壩的應(yīng)力分析有限元模型由壩體混凝土和基巖組成，基巖的計(jì)算范圍：壩基底下、左右岸、上下游分別向外延伸2 倍壩高。

3.3 網(wǎng)格劃分

在有限元分析軟件ANSYS 中，網(wǎng)格劃分有自由網(wǎng)格（Free Meshing）劃分和映射網(wǎng)格（Mapped Meshing）劃分兩種方式。其中映射網(wǎng)格劃分可根據(jù)不同的網(wǎng)格劃分密度滿足壩基和壩體不同部位對(duì)計(jì)算精度的要求，故本次采用映射網(wǎng)格劃分對(duì)壩基和壩體進(jìn)行劃分。壩體網(wǎng)格劃分密度較大，壩基較??；距離壩體較近部位的網(wǎng)格劃分密度大，距離壩體較遠(yuǎn)部位的網(wǎng)格劃分密度小。

在網(wǎng)格劃分中，壩體網(wǎng)格選用了計(jì)算精度高的Solid65 單元，壩基選用了精度較低的Solid45 單元，這樣既滿足了計(jì)算精度的要求，又節(jié)約了時(shí)間、提高了計(jì)算效率。整個(gè)計(jì)算域共剖分單元3264 個(gè)，其中壩體單元960 個(gè)，網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 網(wǎng)格劃分

4 計(jì)算成果分析

對(duì)兩種工況分別進(jìn)行了計(jì)算，分析了大坪菁水庫主壩在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變。兩種工況下壩體沿河流方向的應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果如圖2～圖3。圖2～圖3中應(yīng)力以壓為正，拉為負(fù)。結(jié)果分析如表2～表3。

圖2 兩種工況下壩體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 兩種工況下壩體變形計(jì)算結(jié)果

表2 壩體應(yīng)力計(jì)算成果

表3 壩體變形計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得，工況2（校核洪水位）是壩體應(yīng)力和位移的控制工況。在此給出工況2 下壩體第1 主應(yīng)力和第1 主應(yīng)變分布圖形，如圖4所示。

圖4 工況2 下壩體第1 主應(yīng)力和第1 主應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)大坪菁水庫主壩在兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后得出：有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果符合重力壩受力的一般規(guī)律。兩種工況的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果規(guī)律相同。

從表2 可以看出，工況1、工況2 下壩體的最大壓應(yīng)力均小于混凝土的允許壓應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求，并且壩體上游面沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足SL319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

5 結(jié)語

（1）壩體應(yīng)力在兩種工況下的計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，壩體的絕大部分呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，并且壩體的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足重力壩受力的一般規(guī)律。

（2）由于兩種材料交界處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，兩種工況壩踵與基巖交界處均出現(xiàn)了局部的拉應(yīng)力區(qū)，這不符合工程實(shí)際，需要進(jìn)行有限元等效應(yīng)力計(jì)算。

（3）在兩種運(yùn)行工況下，重力壩的整體結(jié)構(gòu)變形較小，結(jié)構(gòu)滿足正常運(yùn)用要求；

（4）壩體的變形符合結(jié)構(gòu)受力的一般規(guī)律，兩壩肩和壩體底部由于受到基巖的約束，壩體的變形值較小，河床部位的壩頂由于約束作用減小，壩體變形的最大值發(fā)生在此處。

［1］畢節(jié)市勘測設(shè)計(jì)研究院.貴州省納雍縣大坪菁水庫供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2006.

［2］SL319—2005，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］SL25—2006，砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］李圍，葉裕明，劉青山，等.ANSYS 土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［5］馬文英，劉建中，李顯軍.水工建筑物［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003.