楊東玲

（凌源市節(jié)約用水管理辦公室，遼寧凌源 122500）

1 研究背景

擬建中的雙龍水電站屬于遼寧省東部半拉江梯級(jí)開發(fā)的重要水利工程，壩址位于高龍泡水電站下游太平哨鎮(zhèn)二龍渡村境內(nèi)，屬于典型的河床式水電站設(shè)計(jì)[1]。電站大壩為瀝青混凝土心墻土石壩壩型，最大壩高56.0m，壩頂高程160.0m，壩頂寬8.0m。大壩按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，千年一遇洪水校核，水庫的正常蓄水位為157.50m，校核水位為158.50m。

瀝青混凝土心墻土石壩作為一種新壩型，可以充分發(fā)揮瀝青混凝土的良好抗?jié)B性，是一種具有良好適應(yīng)性和發(fā)展前景的壩型[2]。從當(dāng)前的工程現(xiàn)狀來看，瀝青混凝土心墻的防滲效果良好，極少發(fā)生滲透破壞，可以充分保證土石壩的安全穩(wěn)定。另一方面，瀝青混凝土心墻還具有較好的變形適應(yīng)性，在大壩發(fā)生變形的情況下可以作出適應(yīng)性改變，抗震性能十分優(yōu)異[3]。迄今為止，我國(guó)已經(jīng)建成的瀝青混凝土心墻土石壩，均運(yùn)行良好，并沒有發(fā)生滲透破壞性事故[4]。對(duì)于傳統(tǒng)的直心墻壩型，在建成運(yùn)行期間，心墻受到上游水荷載的作用，會(huì)產(chǎn)生向下游的變形，進(jìn)而在壩肩部位產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。如果壩體的高度較大，上述拉應(yīng)力值也會(huì)明顯偏大，一旦超過心墻材料的抗拉強(qiáng)度，就可能造成破壞[5]。因此，對(duì)于高混凝土心墻土石壩，往往采取曲心墻設(shè)計(jì)。下文以擬建中的雙龍水電站大壩為例，利用數(shù)值模擬的方法展開心墻曲率對(duì)壩體應(yīng)力位移特征影響研究，以期為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供必要的理論借鑒。

2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 計(jì)算模型的建立

ANSYS軟件是一款大型通用三維有限元模擬軟件，具有十分完善和強(qiáng)大的數(shù)值模擬功能，在工程研究和設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用。該軟件的一個(gè)重要特點(diǎn)就是，可以在建模計(jì)算過程中直接和CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以根據(jù)工程模擬計(jì)算的需要，對(duì)已經(jīng)構(gòu)建的模型進(jìn)行必要的調(diào)整，從而通過網(wǎng)格劃分的優(yōu)化，提高模擬計(jì)算的效果和質(zhì)量[6]。基于此，此次研究選擇ANSYS軟件進(jìn)行研究對(duì)象的模型構(gòu)建。

此次研究以背景工程特點(diǎn)為依據(jù)選擇模擬計(jì)算的范圍，不僅包括雙龍水電站的大壩主體，還涵蓋了兩側(cè)的部分山體，模型長(zhǎng)350.0m、寬150.0m、高75.0m。在模型構(gòu)建過程中，壩軸線指向右岸的方向?yàn)閅軸正方向，以垂直于Y軸指向下游的方向?yàn)閄軸正方向；以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向[7]。利用六面體等參單元進(jìn)行幾何模型的網(wǎng)格劃分，并對(duì)心墻等關(guān)鍵部位進(jìn)行必要的加密處理，整個(gè)模型劃分為65465個(gè)計(jì)算單元，89787個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2.2 計(jì)算參數(shù)和邊界條件

結(jié)合研究的具體需要，選擇鄧肯模型為模型的本構(gòu)模型[8]。模型的計(jì)算參數(shù)對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果存在顯著的影響，因此研究中以相關(guān)規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定如表1所示的計(jì)算參數(shù)。模擬計(jì)算中對(duì)模型施加位移約束條件，其中模型的底面施加全位移約束條件，模型的兩側(cè)施加豎向位移約束，模型的頂部為自由邊界條件。

表1 計(jì)算材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

根據(jù)相關(guān)研究成果，在大壩建成蓄水之后，瀝青混凝土心墻的壩肩部位會(huì)出現(xiàn)比較明顯的拉應(yīng)力，也就是在上游水壓力荷載的作用下，壩軸線會(huì)產(chǎn)生不同程度的拉伸和變形。為了檢驗(yàn)心墻曲率對(duì)大壩受力特征的具體影響，研究中根據(jù)不同的心墻曲率，設(shè)置了兩種計(jì)算方案：方案1，心墻曲率為9.6×10-5/m；方案2，心墻曲率為1.1×10-5/m。構(gòu)建不同計(jì)算方案下的大壩有限元計(jì)算模型，分析不同心墻曲率下的靜力特征。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力

研究中利用已構(gòu)建的計(jì)算模型，對(duì)兩種不同心墻曲率計(jì)算方案下蓄水期大壩大、小主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖1所示的壩體最大截面應(yīng)力等值線圖。由圖1可知，在不同的心墻曲率條件下，大壩截面的大（?。┲鲬?yīng)力等值線分布規(guī)律基本相似，呈現(xiàn)出自上而下逐步增大的特征。其中，大、小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在大壩底部的中間部位，而最小值則出現(xiàn)在大壩頂部。從具體的數(shù)值來看，在方案1的條件下，心墻承受的最大大、小主壓應(yīng)力值分別為2.38，1.39MPa；在方案2的條件下，心墻承受的最大、最小主壓應(yīng)力值為2.44，1.41MPa。由此可見，隨著心墻曲率的增大，心墻承受的最大壓應(yīng)力沒有明顯變化，拉應(yīng)力得到消除，幾乎減小為0。

圖1 壩體最大截面應(yīng)力等值線圖

總之，隨著心墻曲率的增大，大壩各個(gè)部位的壓應(yīng)力值有所增大，但變化并不明顯；壩肩部位的拉應(yīng)力值則明顯減小或消失。由此可見，采用曲心墻可以明顯改變大壩的應(yīng)力分布特征，可以起到比較顯著的消除壩肩拉應(yīng)力的作用。

3.2 位移

研究中利用已構(gòu)建的計(jì)算模型，對(duì)兩種不同心墻曲率計(jì)算方案下蓄水期大壩壩軸向、順河向、豎向進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖2—4所示的位移等值線圖。由圖2—4可知，兩種不同計(jì)算方案下的壩軸向、順河向、豎向等值線分布規(guī)律基本相似；在不同的心墻曲率條件下，壩軸向位移的數(shù)值較小，且沒有發(fā)生明顯的變化，分別為4cm和5cm，說明瀝青混凝土心墻的曲率對(duì)大壩壩軸向位移的影響極為有限；大壩順河向最大位移值僅增加了1cm，說明心墻的曲率變化對(duì)大壩順河向位移基本沒有影響；隨著心墻曲率的增大，大壩豎向最大位移值僅增加了2cm，說明心墻的曲率變化對(duì)大壩豎向位移的影響不大。

圖2 壩軸向位移等值線圖

圖3 順河向位移等值線圖

圖4 豎向位移等值線圖

總之，大壩的位移是自重荷載和上游的庫水壓力共同作用的效果，在其他條件不變的情況下，壩體的受力及分布基本保持不變，因此心墻曲率的變化不會(huì)對(duì)大壩位移產(chǎn)生比較明顯的影響。

4 結(jié)語

綜上，利用數(shù)值模擬方法，研究心墻曲率變化對(duì)大壩應(yīng)力位移特征的影響，得出：采用曲心墻可以明顯改變大壩的應(yīng)力分布特征，可以起到減小或消除壩肩拉應(yīng)力的作用，且心墻曲率越大，上述作用越明顯；心墻曲率的變化不會(huì)對(duì)大壩位移產(chǎn)生比較明顯的影響。因此，在瀝青混凝土心墻大壩設(shè)計(jì)過程中，可以結(jié)合實(shí)際情況選擇曲心墻直壩壩型結(jié)構(gòu)。