劉建祖，余啟飛

(1.江西省宜春市袁州區(qū)水務(wù)局，江西 宜春 336000； 2.江西水利職業(yè)學(xué)院，南昌 330013)

0 引 言

本文參考案例混凝土埋石重力壩工程實(shí)用技術(shù)數(shù)據(jù)，借助ANSYS專(zhuān)業(yè)智能工程有限元模擬系統(tǒng)，重點(diǎn)圍繞溢流段壩體深層穩(wěn)定抗滑性態(tài)，對(duì)混凝土埋石重力壩深層抗滑專(zhuān)題開(kāi)展有限元模擬分析研究，以期為同類(lèi)工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力建筑安全穩(wěn)固的混凝土埋石重力壩工程。

1 案例工程簡(jiǎn)介

大灘口水庫(kù)是以防洪灌溉為主、兼顧發(fā)電和城鄉(xiāng)供水的Ⅲ等中型水利樞紐工程，位處我國(guó)江南。設(shè)計(jì)洪水位618.48 m，核校洪水位620.73 m，常規(guī)蓄水位620.00 m，總庫(kù)容6 850×104m3，控制流域面積1 330 km2。工程由壩體、泄洪建筑物、引水建筑物等組合構(gòu)成。壩體為C15重力埋石混凝土壩，頂高622.0 m，最大高程59 m，壩頂寬7 m，長(zhǎng)190.0 m。從右到左逆壩軸線依次為右岸非溢流段、廠房壩段、溢流段和左岸非溢流段。溢流前緣凈寬度50 m，堰頂高度608.0 m，溢流段長(zhǎng)度74 m。樞紐臨時(shí)建筑5級(jí)，次要建筑4級(jí)，永久性建筑3級(jí)。

壩址揭露為侏羅系上統(tǒng)(293sJ～13sJ)遂寧組地層，由黏土巖、細(xì)砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖和粉砂巖構(gòu)成。上游側(cè)巖層略?xún)A偏右岸，傾角在5～9°之間。弱風(fēng)化風(fēng)化址基巖層厚度多在2～5 m之間，最大厚度8.4 m左右。強(qiáng)風(fēng)化址基巖層厚度多在1～2 m之間，最大厚度4.5 m左右。

壩基砂巖Ⅱ-Ⅱ′勘測(cè)線蝕余河床厚度在8.18～10.65 m之間，Ⅲ3-2夾層存在局部的泥化狀態(tài)。Ⅲ-Ⅲ′勘測(cè)線下游構(gòu)成跌坎，存有臨空面，有裂縫順河向發(fā)育，穩(wěn)定抗滑非常不利?；鶐r體有弱軟夾層存在。

2 有限元數(shù)理模型的創(chuàng)建

2.1 范圍及約束條件

模型范圍包括壩身及深淺壩基。系統(tǒng)建模型時(shí)，如果壩基范圍寬度不夠，會(huì)使運(yùn)算結(jié)果發(fā)生較大偏差；而如果在精度提高不大的條件下，過(guò)大的取值范圍又會(huì)帶來(lái)過(guò)度耗時(shí)及浪費(fèi)資源的問(wèn)題。經(jīng)系統(tǒng)籌劃，本研究計(jì)算范圍為壩基取深80 m，自壩址下向取75 m，自壩踵上向側(cè)取65 m。

底邊取固定約束，上下側(cè)取法向約束，坐標(biāo)為：壩軸線下游向?yàn)閄坐標(biāo)正方向，垂直上向?yàn)閅軸正方向，以沿壩軸線取為Z軸正方向。

計(jì)算截面及有限元模型具體見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 溢流段截面圖

圖2 溢流段有限元網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 模型及基本材料參數(shù)

本文重點(diǎn)探究溢流段的穩(wěn)定抗滑問(wèn)題，僅以溢流段為分析對(duì)象。由壩身和深淺壩基三部分創(chuàng)建溢流段重力壩穩(wěn)定抗滑性模型，運(yùn)用ANSYS專(zhuān)業(yè)有限元水工模擬系統(tǒng)，對(duì)溢流段開(kāi)展建模，見(jiàn)圖2。

壩身以ANSYS專(zhuān)業(yè)混凝土單元給與離散創(chuàng)建，節(jié)點(diǎn)1 468個(gè)，總單元987個(gè)。

壩基以solidl85實(shí)體三維單元給與離散創(chuàng)建，深壩基節(jié)點(diǎn)13 968個(gè)，總單元10 080個(gè)；淺壩基節(jié)點(diǎn)2 616個(gè)，總單元1 635個(gè)。壩體穩(wěn)定性有限元分析節(jié)點(diǎn)17 508個(gè)，單元12 702個(gè)。選用D-P彈塑屈服準(zhǔn)則。模型參數(shù)依據(jù)案例工程應(yīng)用參數(shù)，并結(jié)合模型實(shí)際情況確定，主要材料參數(shù)具體見(jiàn)表1和表2。

表1 壩身材料參數(shù)

表2 基巖設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況

模擬工況選用核校洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、一般高水位3種工況。

核校洪水位：下游586.99 m，上游620.73 m

設(shè)計(jì)洪水位：下游584.40 m，上游618.48 m

一般高水位：下游576.00 m，上游620.00 m

模擬載荷包括壩體和滑動(dòng)面以上的上下游水壓力、揚(yáng)壓力、巖體自重等，排水幕區(qū)域透滲壓力以參數(shù)a=0.25折減。

3 模擬計(jì)算結(jié)果與解析

3.1 響應(yīng)力與移位解析

本文重點(diǎn)對(duì)溢流段實(shí)施深層穩(wěn)定抗滑性探究，參考前述建模，分別對(duì)核校洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、一般高水位3種工況實(shí)施響應(yīng)力及移位計(jì)算解析。

3.1.1 正常蓄水位工況計(jì)算

正常蓄水位計(jì)算結(jié)果云狀態(tài)圖見(jiàn)圖3-圖8。

圖3 取自X方向的移位云狀態(tài)圖

圖4 取自Y方向的移位云狀態(tài)圖

圖5 總移位云狀態(tài)圖

圖6 取自X方向的應(yīng)力云狀態(tài)圖

圖7 取自Y方向的應(yīng)力云狀態(tài)圖

圖8 基于Mises 的應(yīng)力云狀態(tài)圖

1) 正常蓄水位工況移位分析：從圖3可以看出，壩身上游側(cè)的X向最大移位為1.5 mm，這緣于上游側(cè)靜水壓和上游水體重量大量施加于壩面，在X方向上的分量較大，導(dǎo)致其X向的形變也較大。從圖4可以看出，下向的最大移位出現(xiàn)在下游側(cè)壩身，最大移位0.89 mm，出現(xiàn)在反弧段與壩趾結(jié)合部位。壩身上游側(cè)Y向移位為0.79 mm，略低于下游側(cè)壩身的移位。從上至下，Y向移位量漸漸降低，深壩基的移位幾乎為零。從圖5可以看出，在靜水壓、淤泥壓和壩身自重等載荷聯(lián)合作用下，壩身整體構(gòu)造呈下陷的態(tài)勢(shì)，最大移位出現(xiàn)在壩身上游側(cè)，位處堰頂位置，最大移位1.66 mm，方向?yàn)橄孪?，淺壩基移位要高于深壩基。

2) 正常蓄水位工況響應(yīng)力分析：圖6、圖7及圖8分別給出了壩身與壩基在靜水壓、水重、淤沙壓力、揚(yáng)壓力和壩身自重等聯(lián)合作用載荷下整個(gè)構(gòu)造的X方向響應(yīng)力、Y方向響應(yīng)力和mises響應(yīng)力分布云狀態(tài)圖。絕大部分區(qū)域第一主響應(yīng)力為壓響應(yīng)力，所有位置第三主響應(yīng)力均為壓響應(yīng)力，溢流段的基礎(chǔ)底部法向響應(yīng)力均為壓響應(yīng)力。從圖6可以看出，X向最大響應(yīng)力為0.51 MPa，發(fā)生在壩身上游側(cè)底部。從圖7可以看出，Y方向最大響應(yīng)力發(fā)生在壩身上游側(cè)底部，為0.36 MPa，屬于局部集中響應(yīng)力，由于上游水體壓是從上至下漸漸加增，因此底部Y響應(yīng)力最大。從圖8可以看出，最大mises響應(yīng)力發(fā)生在壩身上游側(cè)與淺層基礎(chǔ)結(jié)合處，約為0.56 MPa，整個(gè)構(gòu)造沒(méi)有發(fā)生彈塑性形變。此外，在壩身與淺壩基、淺壩基與深壩基交界處都會(huì)發(fā)生響應(yīng)力的梯度演變，這基本是不同材料機(jī)能參數(shù)差異導(dǎo)致的。

3.1.2 設(shè)計(jì)洪水位工況計(jì)算

設(shè)計(jì)洪水位云狀態(tài)圖見(jiàn)圖9-圖14。

圖9 取自X方向的移位云狀態(tài)圖

圖10 取自Y方向的移位云狀態(tài)圖

圖11 總移位云狀態(tài)圖

圖12 取自X方向的應(yīng)力云狀態(tài)圖

圖13 取自Y方向的應(yīng)力云狀態(tài)圖

圖14 基于Mises 的應(yīng)力云狀態(tài)圖

1) 設(shè)計(jì)洪水位工況移位解析：由圖9可知，在壩身自重、淤泥壓和靜水壓等載荷共同作用下，構(gòu)造整體呈下陷態(tài)勢(shì)，移位最大值出現(xiàn)在壩身上游側(cè)，移位量為2.62 mm，淺壩基移位量較深壩基移位量要高。從圖10可知，最大下向移位出現(xiàn)在壩身下游側(cè)，移位量為1.08 mm，壩身上游側(cè)Y向移位較壩身下游側(cè)的移位量略低，移位值為0.24 mm。從上至下，Y向移位量漸次降低，深壩基移位幾乎零值狀態(tài)。從圖11可以看出，壩身上游側(cè)X向移位最大量為2.6 mm，這緣于上游側(cè)水體重量和靜水壓是向壩面垂直施加上的，在X方向上存在較大的分量，致使其X向的形變也較大。

2) 設(shè)計(jì)洪水位工況響應(yīng)力分析：圖12、圖13及圖14分別給出了壩身與壩基，壩身在水體自重、壩身自重、揚(yáng)壓、靜水壓和沙淤壓等聯(lián)合載荷作用下的mises響應(yīng)力Y向響應(yīng)力和X向響應(yīng)力云狀態(tài)圖。第一主響應(yīng)力在絕大部分區(qū)域均為壓響應(yīng)力，第三主響應(yīng)力在所有位置均為壓響應(yīng)力，溢流段的基礎(chǔ)底部法向響應(yīng)力均為壓響應(yīng)力。由圖12可知，最大X向響應(yīng)力為0.48 MPa，在壩身下游側(cè)壩趾及反弧段位置，呈響應(yīng)力局部集中狀態(tài)。由圖13可知，最大Y向響應(yīng)力為0.43 MPa，發(fā)生在壩身下游側(cè)壩趾和反弧段位置，呈響應(yīng)力局部集中狀態(tài)。由圖14可知，最大mises響應(yīng)力約為0.65 MPa，發(fā)生在壩身下游側(cè)位置，整個(gè)構(gòu)造沒(méi)有發(fā)生彈塑性形變。而且，在深壩基與淺壩基、淺壩基與壩身的交界部位，均發(fā)生了梯度響應(yīng)力演變，此為不同材料機(jī)能差異所導(dǎo)致。

3.1.3 核校洪水位工況計(jì)算

核校洪水位計(jì)算結(jié)果云狀態(tài)圖見(jiàn)圖15-圖20。

圖15 取自X方向的移位云狀態(tài)圖

圖16 取自Y方向的移位云狀態(tài)圖

圖17 總移位云狀態(tài)圖

圖18 取自X方向的應(yīng)力云狀態(tài)圖

圖19 取自Y方向的應(yīng)力云狀態(tài)圖

圖20 基于Mises 的應(yīng)力云狀態(tài)圖

1) 核校洪水位工況移位分析：從圖15可知，在壩身自重、淤泥壓和靜水壓等載荷共同作用下，壩身呈下陷的態(tài)勢(shì)，移位最大量為2.86 mm，出現(xiàn)在壩身上游側(cè)，淺壩基移位較深壩基移位要相對(duì)大些。由圖16可知，最大下向移位量為1.17 mm，出現(xiàn)在下游側(cè)壩身，壩身上游側(cè)Y向移位量為0.24 mm，較下游側(cè)壩身移位略低。從上至下，Y向移位量呈逐漸降低狀態(tài)，深壩基移位幾乎零值。由圖17可知，壩身上游側(cè)的X向最大移位量2.86 mm，緣于上游水體重量和靜水壓是垂向施加于壩面，在X方向上存在較大的分量，致使X向的形變也較大。

2) 核校洪水位工況移位分析：圖18、圖19及圖20分別給出了壩身與壩基，壩身在水體自重、壩身自重、揚(yáng)壓、靜水壓和沙淤壓等聯(lián)合載荷作用下的mises響應(yīng)力、Y向響應(yīng)力和X向響應(yīng)力云狀態(tài)圖。第一主響應(yīng)力在絕大部分區(qū)域均為壓響應(yīng)力，第三主響應(yīng)力在所有位置均為壓響應(yīng)力，溢流段的基礎(chǔ)法向響應(yīng)力均為壓響應(yīng)力。由圖18可知，最大X向響應(yīng)力0.54 MPa，發(fā)生在壩身下游側(cè)反弧段位置。由圖19可知，Y向響應(yīng)力最大值為0.5 MPa，發(fā)生在壩身下游側(cè)壩趾位置，屬于響應(yīng)力局部集中，緣于上游水壓系由上至下逐漸加增，因此導(dǎo)致最大底部Y響應(yīng)力。由圖20可知，最大mises響應(yīng)力約為0.72 MPa，發(fā)生在壩身下游側(cè)，整個(gè)構(gòu)造沒(méi)有發(fā)生彈塑性形變，屬于正常狀態(tài)。在深壩基與淺壩基、淺壩與基壩身交界部位發(fā)生響應(yīng)力梯度演變。

3.2 穩(wěn)定抗滑分析

將有限元方法計(jì)算結(jié)果與常規(guī)極值剛體平衡法所得結(jié)果開(kāi)展比對(duì)，以驗(yàn)證有限元模擬結(jié)果的正確性，見(jiàn)表3。

表3 溢流壩深層穩(wěn)定抗滑分析成果

模擬計(jì)算成果分析：

1) 各節(jié)點(diǎn)受力程度有所不同，因?yàn)閴紊砩细鞴?jié)點(diǎn)和滑動(dòng)面在諸種載荷聯(lián)合作用下，應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，所以對(duì)應(yīng)安全抗滑常數(shù)也就有所不同。但滑動(dòng)面壩基的安全系數(shù)總體滿(mǎn)足于重力壩的設(shè)計(jì)規(guī)范需要。

2) 兩種方法獲得的重點(diǎn)安全系數(shù)總體一致，均勝任重力壩基本設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，因此重力壩穩(wěn)定抗滑分析以有限元法來(lái)試算驗(yàn)證是可行的。

3) 有限元法計(jì)算壩體深層穩(wěn)定抗滑系數(shù)，所得數(shù)值較極值剛體平衡法所得數(shù)值略高。查閱資料可知，極值剛體平衡法取計(jì)算截面系單寬最大截面，計(jì)算所得安全系數(shù)相對(duì)于有限元法的安全系數(shù)要小，其穩(wěn)定性能相對(duì)低些，但仍在相對(duì)安全的范圍內(nèi)，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。

4) 借助ANSYS專(zhuān)業(yè)智能系統(tǒng)模擬計(jì)算重力壩深層穩(wěn)定抗滑系數(shù)，智能快捷，操作性強(qiáng)。能夠通過(guò)更換不同的工況和參數(shù)，實(shí)施多工況條件的模擬演算，相較于傳統(tǒng)方法，相對(duì)省時(shí)省力效率高。而且經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，能夠獲得整體安全系數(shù)和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全系數(shù)，對(duì)壩身穩(wěn)定抗滑性能作多角度、相對(duì)大規(guī)模的數(shù)理模擬分析，可以使分析結(jié)果更典型、精確和具體，利于工程應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文參考案例實(shí)用技術(shù)數(shù)據(jù)，借助ANSYS專(zhuān)業(yè)智能有限元模擬系統(tǒng)，圍繞溢流段壩體深層穩(wěn)定抗滑性態(tài)，對(duì)混凝土埋石重力壩深層抗滑課題開(kāi)展了專(zhuān)題分析研究：①建立了混凝土埋石重力壩深層抗滑有限元模型并開(kāi)展了模擬分析計(jì)算；②開(kāi)展了混凝土埋石重力壩深層響應(yīng)力與移位、穩(wěn)定抗滑性專(zhuān)題解析；③模擬分析驗(yàn)證了有限元法在計(jì)算重力壩深層抗滑系數(shù)上的適用性，可為同類(lèi)工程應(yīng)用提供一定意義的技術(shù)參考。