肖智斌，周賢茂

（江西省吉安縣水利局，江西 吉安 343100）

混凝土重力壩作為主要擋水建筑物，在水利工程中被廣泛應(yīng)用。重力壩主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求，同時依靠壩體自重產(chǎn)生的壓力來抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力以滿足強(qiáng)度要求，其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了自重荷載的施加方式直接影響工程的數(shù)值仿真結(jié)果。常規(guī)的有限元靜態(tài)仿真分析中通常將各類荷載一次性施加在仿真對象上，忽略了荷載的時間差異，特別對于混凝土重力壩而言，其分層澆筑的施工過程將極大程度的影響自重荷載的加載路徑和結(jié)構(gòu)整體的變化趨勢。

當(dāng)前已有大量學(xué)者對水利工程中分層澆筑問題展開研究，但多數(shù)成果集中于土石壩的變形穩(wěn)定分析以及重力壩的溫控仿真，少有關(guān)于重力壩分層澆筑情況對結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形狀態(tài)的影響分析[1～3]。趙飛等利用ANSYS模擬大壩澆筑過程，研究了混凝土分層澆筑對壩體變形和應(yīng)力的影響，但忽略了分析分層高度對仿真結(jié)果的影響，因此所得結(jié)果適用于單獨的工程案例，而無法成為共性問題的參考[4]。本文采用有限元法對某工程進(jìn)行仿真分析，通過合理的分組劃分壩體單元，采用分塊求解技術(shù)模擬重力壩分層澆筑過程，系統(tǒng)分析不同分層澆筑情況對重力壩仿真結(jié)果的影響，以期為重力壩施工設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。

1 工程概況

某水電站位于云南省，工程主要擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩。工程最大壩高160.00m，壩頂長640.00m，最大壩底寬度150.00m。選取其中某非溢流壩段進(jìn)行分析，該壩段斷面模型如圖1所示，為考慮分層澆筑施工過程，將壩體分為39組單元，并建立薄層單元模擬建基面，壩段單寬30.00m，地基范圍按不同方向各取兩倍壩高，取壩頂上游處A點作為位移分析特征點。為取得較為精細(xì)的模擬結(jié)果，壩體有限元網(wǎng)格豎直向尺寸約為1.00m，有限元模型共98 087個結(jié)點，86 440個單元。

圖1 某重力壩有限元模型示意圖

2 計算參數(shù)及仿真理論

2.1 材料參數(shù)

某重力壩的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.2 仿真理論及仿真條件

本文主要圍繞不同分層澆筑高度對重力壩仿真結(jié)果的影響展開研究，采用國內(nèi)自主編譯的Fortran程序進(jìn)行計算。計算時在地基兩側(cè)施加法向固定約束，地基底部施加三向固定約束，分層施加自重荷載，并在澆筑全部完成后施加靜水荷載，其壩前水深取154.00m。

重力壩的分層澆筑過程采用分塊求解技術(shù)，將有限元模型中的單元組定義為“生死單元”。所謂“生死單元”即是判斷該組單元是否參與運(yùn)算，將當(dāng)前運(yùn)行塊參與運(yùn)算的單元定義為“生”，此時該組的單元節(jié)點信息、材料信息以及荷載信息將會被激活，而當(dāng)前運(yùn)行塊不參與運(yùn)算的單元則定義為“死”，此時該組的單元節(jié)點信息、材料信息以及荷載信息將會被設(shè)置為0。計算時根據(jù)施工順序，第一塊為地基自重沉降處理，即只有地基一組單元為“生”，壩體單元均為“死”，計算后將地基自重沉降產(chǎn)生的位移清零，保留應(yīng)力結(jié)果作為第二塊運(yùn)算的初始地應(yīng)力；第二塊將第一層澆筑單元與地基共同運(yùn)算，計算后由自重沉降產(chǎn)生的位移和應(yīng)力結(jié)果均作為第三塊運(yùn)算的初始值，不做清零處理；依次類推完成壩體澆筑計算，在最后一塊運(yùn)算中加入靜水荷載，完成全部仿真計算。

通過改變分層澆筑高度，將計算組合設(shè)立為8種工況進(jìn)行仿真分析，各計算工況下的澆筑高層以及計算運(yùn)行塊數(shù)如表2所示。

表2 計算工況

3 仿真結(jié)果分析

3.1 位移結(jié)果影響分析

某重力壩不同澆筑層數(shù)對壩體自重沉降分布的影響見圖2，如圖所示，澆筑分層數(shù)量不同將直接影響壩體各個部位的變形規(guī)律及沉降數(shù)值。圖2（a）中壩體自重采用常規(guī)仿真方式一次性求解，剛性壩體整體沉降使得沉降最大值出現(xiàn)在壩體頂部，而通過圖2（b）至圖2（h）可以看出，壩體沉降最值均出現(xiàn)在第一塊澆筑層的頂部，因此澆筑分層越細(xì)，實際沉降分布規(guī)律越趨近連續(xù)，也印證了按實際澆筑分層模擬重力壩施工過程的重要性。

圖2 不同澆筑層數(shù)對應(yīng)壩體自重作用下沉降分布圖（mm）

不同澆筑層數(shù)對壩體位移的影響見圖3與圖4，其相應(yīng)數(shù)值見表3。如圖3所示，壩體自重沉降最值與靜水荷載下豎直向位移最值隨澆筑層數(shù)的變化趨勢一致，靜水荷載作用下豎直向變形幅度隨澆筑層數(shù)增加而降低。自重沉降最值與靜水荷載下豎直向位移最值變化幅度的拐點出現(xiàn)在case4工況，case4工況的壩體自重沉降相比case1工況降低了25.36%，而case8工況相對case4工況僅降低了6.29%；case4工況的靜水荷載下豎直向位移相比case1工況降低了6.21%，而case8工況相對case4工況僅降低了4.54%。如圖4所示，特征點A處的變化更為明顯，當(dāng)case2工況開始考慮分層時，自重沉降相比case1工況降低了55.68%，靜水荷載下豎直向位移降低了73.32%。特征點處位移變化幅度的拐點出現(xiàn)在case5工況，自重沉降相比case2工況降低了88.72%，靜水荷載下豎直向位移由向下變?yōu)橄蛏?，這是由于整體自重沉降對壩頂部位的影響隨分層澆筑的塊數(shù)增加而降低，靜水荷載作用下壩體整體向下游面傾斜，上游面壩頂將不可避免的出現(xiàn)豎直向上移動。

圖3 不同澆筑層數(shù)對壩體位移最值的影響

圖4 不同澆筑層數(shù)對特征點A位移的影響

表3 不同澆筑層數(shù)對應(yīng)壩體位移值 mm

3.2 應(yīng)力結(jié)果影響分析

不同澆筑層數(shù)對壩體應(yīng)力分布的影響見圖5，由圖5（a）至圖 5（e）可見，當(dāng)澆筑分層塊數(shù)較少時，壩體頂部和底部均易形成高拉應(yīng)力區(qū)，此時結(jié)構(gòu)的易損部位無法判斷，亦無法在施工過程中改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。而由圖 5（f）至圖 5（h）可見，當(dāng)澆筑分層越來越細(xì)致后，高拉應(yīng)力區(qū)逐步縮減至下游壩坡及壩趾局部區(qū)域，此時可以在施工過程中對重點易損部位加以改善。

不同澆筑層數(shù)對壩體應(yīng)力最值的影響見圖6，其相應(yīng)數(shù)值見表4。如圖所示，不論自重荷載作用下還是靜水荷載作用下，壩體最大拉應(yīng)力均隨澆筑層數(shù)的增加而增大，且近乎成線性變化，在圖6（a）中前部出現(xiàn)的突變是由于從整體到分層施載方式的變化引起應(yīng)力分布改變而產(chǎn)生的。自重荷載作用下case8工況相對case4工況增加了17.32%，靜水荷載作用下case8工況相對case4工況增加了13.97%，這意味著不考慮分層澆筑的仿真結(jié)果將無法真實反映壩體的受拉破壞情況。

圖5 不同澆筑層數(shù)對應(yīng)自重作用下壩體拉應(yīng)力分布圖（Pa）

圖6 不同澆筑層數(shù)對壩體拉應(yīng)力最值的影響

表4 不同澆筑層數(shù)對應(yīng)壩體應(yīng)力值 MPa

4 結(jié)語

本文采用有限元法對某工程進(jìn)行仿真分析，通過合理的求解技術(shù)模擬重力壩分層澆筑過程，系統(tǒng)分析不同分層澆筑情況對重力壩壩體應(yīng)力與位移結(jié)果的影響。

研究結(jié)果表明，分層澆筑的施工過程將極大程度的影響自重荷載的加載路徑和結(jié)構(gòu)整體的變化趨勢，澆筑分層越細(xì)，實際沉降分布規(guī)律越趨近連續(xù)。澆筑層數(shù)對自重沉降變化的影響較大，文中case4工況的壩體自重沉降相比case1工況降低了25.36%，而隨后變形幅度隨澆筑層數(shù)增加而降低，case8工況相對case4工況降低了6.29%，這也印證了按實際澆筑分層模擬重力壩施工過程的重要性；同時壩體最大拉應(yīng)力均隨澆筑層數(shù)的增加而增大，且近乎成線性變化，這意味著不考慮分層澆筑的仿真結(jié)果將無法真實反映壩體的受拉破壞情況。