水拦关水库浆砌石坝有限元分析

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1、第40卷第9期人民长江Vol_40．No．92009年5月YangtzeRiverMay，2009文章编号：1001—4179(2009)09—0044—02水拦关水库浆砌石坝有限元分析刘波李静(江西省水利规划设计院，江西南昌330029)摘要：针对水拦关水库大坝坝体结构，为了保证大坝的长期安全稳定运行，须对大坝的应力状况和安全稳定性进行校核。根据浆砌石坝设计规范，应用有限元软件ANSYS，对多种工况下坝体及坝基的应力分布情况进行了计算，对坝体位移分布规律及其抗滑稳定性进行了研究。分析计算结果表明，坝体最大应力和

2、位移都在规范允许范围内，坝体结构总体上达到了规范要求，大坝整体是稳定的、安全可靠的。同时也为后期除险加固提供了合理的建议和意见。关键词：浆砌石坝；有限元法；应力；稳定中图分类号：TV641．3文献标识码：A抗拉强度时就已被破坏。1工程概况表1水拦关水库大坝材料物理参数水拦关水库位于江西省奉新县澡下镇观下村，距县城40km，坝址以上控制流域面积46．4km，总库容2588万m。水拦关水库大坝为浆砌石硬壳坝，由溢流坝段和非溢流坝段组成。坝轴线全长185．0m，共设l2个坝段，在平面上呈凸向上游的“厂_]”形布置。坝顶

3、高程385．2m，设计蓄水位383m，坝基最低基岩面高2．2计算模型及方法程338．9m，非溢流坝最大坝高46．3m。原溢流坝堰顶高程本文用自下而上的建模方式，将坝体断面简化，建立计算模379．8m。1986年加固后新增溢流坝段堰顶高程为378．5m。型。为了解除坝基边界条件对坝体受力的影响，尽量扩大有限库区最大平均风速为15m／s，吹程为2．4km。元模型分析的计算模型，模型基础的选取范围为：坝基上游取水拦关水库大坝坝体经历过加固处理且结构较为复杂，大1．5倍坝高，下游取2倍坝高，坝基深度取2倍坝高。考虑到有坝

4、在1986年加固时新增两孔溢流坝段，并在原坝面增加混凝土限元计算模型的范围已取足够大，可认为坝基地面积四周竖向面板，新老坝体存在弹模差异和材料变异性等问题，并且坝体结岩面均采用固端约束。构采用浆砌石中包夹干砌块石冲填砂，坝体结构既不完全属于在有限元分析中，网格的划分精度直接影响计算的准确性，一般的浆砌石重力坝，也不能按照空腹重力坝来考虑，而且干砌所以应根据工程实际建立有限元模型。本文在划分单元时，坝块石冲填砂与坝体及基岩之间存在材料变异性，各材料物理力体浆砌石、干砌石、混凝土面板和基岩采用相同的2维4节点结学性能

5、差异较大，这些均可能对大坝坝体受力状况产生不利影构实体单元plane42，建立2维实体结构模型。坝体和基础一共响。考虑到大坝工程的实际情况，利用常规的结构力学或材料划分3960个单元，4106个节点，见图1。力学的方法将难以对其进行较精确的应力分析，因此采用有限2．3计算工况元法对坝体进行结构和稳定性分析。在对水拦关水库大坝进行有限元分析时，分别选择了正常2计算模型及参数蓄水位、设计洪水位和校核洪水位3种工况进行计算。计算工况及荷载组合如下：2．1材料计算参数工况1(校核水位)。上游校核洪水位(385．08m)+

6、自重+水拦关水库大坝为浆砌石坝，根据《浆砌石坝设计规范扬压力+浪压力+库水压力。SL25—2006)，坝体按弹性介质考虑。水拦关水库大坝材料物理工况2(设计水位)。上游设计洪水位(383．96m)+自重+参数如表1所示。扬压力+浪压力+库水压力。对于坝基的岩石材料，按非线性介质考虑。由于岩石材料工况3(正常水位)。上游正常洪水位(383．0m)+自重+的抗拉性能很差，对于受拉区，本文认为岩石的最大拉应力大于扬压力+浪压力+库水压力。收稿日期：2008—11—25；修回日期：2009—03—30作者简介：刘波，男，

7、江西省水利规划设计院，工程师。第9期刘波等：水拦关水库浆砌石坝有限元分析45Ⅲ』；E、，l图1坝体断面有限元模型图3坝体校核水位下应力分布坝体所受荷载为：坝体自重(垂直向下)、上游静水压力方向的位移，比较分析各计算剖面的位移变化规律，可知坝体P(水平向右)、P(垂直向下)、浪压力F(水平向右)、扬压力方向的位移随着坝体高度的增加而逐渐增大，最大位移(垂直向上，考虑坝上游设有帷幕灌浆，因此取扬压力折减系数14．88lnlTl，发生在坝顶，坝体Y方向的沉降最大为14．54mm，发生C=0．2)和库水压力P(考虑与实际

8、相符，上游基础承受水压在坝体内部，主要由于坝体这个部位的材料是干砌块石充填沙，力)。从而计算出坝体所受全部垂直荷载总和∑W=W+P一因此会有比较大的沉降。坝踵处的，yTf向的位移分别为，水平荷载总和∑P=P+F，及其弯矩。0．64rlllq和7．79mm，坝趾处的，Y方向的位移分别为0．44IYIITI和3计算结果分析7．75l／lln。校核工况，Y方向位移计算结果分别见