混凝土面板堆石坝有限元数值仿真分析.pdf

第4 0卷第 1 2期 2 0 1 4 年 1 2月 水 力 发 电 混 凝 土 面 板 堆 眉 坝 有 限 元 数 值 仿 真 分 析 翟盼 盼 ，唐 天 国 ，谢 新 生 ( 1 _四川 大学建 筑与环境 学院，四川成都6 1 0 0 6 5 ： 2 四川大 学水 电学院，四川成都6 1 0 0 6 5 ) 摘 要：结合四川省凉山州大桥水库面板堆石坝实际观测资料 ，利用 A N S Y S 软 件对该坝进行数值模拟 ，分析坝体位 移及沉降量 ，并将 数值 仿真计算成果与实测数 据进 行 比拟 。研究结果表 明，纵 向分 布坝体 中部位移最大 ，向两岸逐 渐降低 ；横向分布坝体轴线处沉降量 最大 ，向上 、下游逐渐 降低 ，并基本稳定 。 关键词 ：面板堆石坝 ；变形 分析 ；A N S Y S软件 ；大桥水库 Anal ys i s o n Fi ni t e El e me nt Nume r i c al Si m u l at i o n o f Conc r et e Fac e Ro c kf dl Dam Z HAI P a n p a n ， T ANG T i a n g u o ， XI E Xi n s h e n g ( 1 S c h o o l o f Ar c h i t e c t u r e a n d En v i r o n me n t ， S i c h u a n Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 61 0 0 6 5 ， S i c h u a n ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r ， S i c h u a n Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， S i c h u a n ， Ch i n a ) Ab s t r a c t I n c o mb i n a t i o n w i t h t h e o b s e r v a t i o n d a t a o f c o n c r e t e f a c e r o c k f i l l d a m o f Da q i a o Re s e r v o i r i n L i a n g s h a n S i c h u a n P r o v i n c e ，t h e n u me ri c a l s i mu l a t i o n a n d a n a l y s e s o n d a m d e f o r ma t i o n a r e c a r r i e d o u t b y u s i n g ANS YS s o f t w a r e T h e d i s p l a c e me n t a n d s e t t l e me n t o f d a m a r e c a l c u l a t e d a n d c o mp are d wi t h me a s u r e d d a t a Th e n u me ri c a l s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma x i mu m h o ri z o n t a l d i s p l a c e me n t i S i n t h e c e n t e r alo n g t h e v e r t i c a l d i s t ri b u t i o n o f d a m a n d t h e d i s p l a c e me n t i S g r a d u a l l y r e d u c e d t o b o t h s i d e s o f d a m。 a n d t h e ma x i mu m s e t t l e me n t i S i n t h e d a m a x i s alo n g t h e l a t e r a l d i s t ri b u t i o n a n d t h e s e t t l e me n t i S g r a d u a l l y r e d u c e d u p wa r d a n d d o wn s t r e a m a n d t h e n b a s i c a l l y s t a b l e Ke y W o r d s ： c o n c r e t e f a c e mc k f i l l d a m； d e f o r ma t i o n a n a l y s i s ； ANS YS s o f t w a r e ； Da q i a o R e s e rvo i r 中图分类号： T V 6 9 8 1 1 ( 2 7 2 ) 文献标识码： A 文章编号 0 5 5 9 - 9 3 4 2 ( 2 0 i 4 ) 1 2 - 0 0 4 5 0 3 混 凝 土 面板 堆 石 坝 是 以 堆石 体 为 支 撑 结 构 以 钢 筋混 凝 土 面板 为 防渗 主体 的一 种 堆 石坝 。与 传 统 的 土 石 坝 相 比 ，具 有 投 资省 、工 期 短 、安 全 可 靠 、 施 工 简便 、适 应 性 强 等优 点 。我 国大量 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 建 成 于 上 世 纪 ， 经 数 十 年 的 发 展 运 营 及 维 护 ， 大 多数 面板 坝 运 行 情况 良好 。但 是 ， 由于坝 体 的变 形 和不 均 匀 沉 降 ，部分 大坝 也 存 在 一些 工 程 事 故 隐 患 。 为此 ，本 文 对 四川 省 凉 山州 大 桥水 库 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 主 坝 开 展 应 力 应 变 分 析 和 沉 降量 的 研 究 ， 为 大坝 后 期 正 常 运 营及 维 护 提 供 指 导 ，以确 保 坝 体 的运 营安 全【 。 1 工程概况 大 桥 水 库 位 于 四 川 I省 凉 山 州 冕 宁 县 大 桥 镇 境 内 ，距 冕 宁 县 城 仅 1 9 k m，是 一 座 以灌 溉 和 工 业 城 镇 生 活 供 水 为 主 ，结 合 发 电 、兼 顾 防 洪 、环 境 保 护 、水 产 养 殖 、旅 游 等 综 合 效 益 的大 型 水 利 工 程 控 制 流域 面 积 7 9 6 k m ，正 常 蓄水 位 2 0 2 0 m死 水 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 4 0 8 作者 简介 ：翟 盼盼 ( 1 9 8 8 一 ) ，女 ，河南 南 阳人 ，硕 士研究 生 主要从事大坝监测及数值仿真研究工作 W a t e r P o w e r V o 1 D ， v o 2圜 水 力 发 电 2 0 1 4年 1 2月 位 1 9 7 7 m总 库 容 6 5 8亿 IT I ，调 节 库 容 5 9 3亿 m， 为年 调节 水 库( 多年 平均 来 水量 1 1亿 m ) ，死 库 容 0 5 9亿 m。 。 主 坝 为 面 板 堆 石 坝 ，坝 高 9 3 m， 坝 顶 高 程 2 0 2 4 m， 坝 顶 长 3 1 2 I n， 坝 顶 宽1 2 m。 上游 坝 坡 1 ： 1 5，下 游 1 ： 1 7，分 别 在 1 9 6 4 m 和 1 9 9 4 m 高 程 设 两 级 宽 4 13 1 的 马 道 。 面 板 厚 0 4 8 0 3 0 13 3 垫 层 料 宽 3 1T I ， 过 渡 料 宽 5 m ， 坝 顶 防 浪 墙 高 1 2 m。 水 库 建 成 后 ， 冕 宁 河 段 的 防 洪 能 力 由 5年 一 遇 提 高 到 了 2 0年 一 遇 ， 保 证 大 坝 安 全 运 行 对 冕 宁 县 和 安 宁 河 流 域 城 镇 的 工 农 业 发 展 和 水 库 下 游 人 民 的生 命 财产 安 全 至关 重 要 。 大坝 典 型 断 面及 坝 料 分 区 见 图 1 。 设计洪水位2 o 1 44 4 面板 $ 4 5 0 0 0 蛰层料宽3 随渡区宽 图 1 大坝典型断面及坝料分 区 ( 单位 ：高程 Il l ，尺寸 mm) 2 观测资料 利 用 布 置 在 大 坝 内 部 的 水 平 位 移 计 、 水 管 沉 降 仪 以 及 布 置 在 大 坝 表 面 的 位 移 观 测 点 和 观 测 基 点 ， 监 测 大 坝 内 部 和 外 部 的 变 形 情 况 ， 从 而 分 析 出 大 坝 在 运 行 期 间 位 移 和 沉 降 量 的变 化 规 律 I4 J 。 S G2 5 、S G2 4、S G2 3、S G2 2和 S G2 1是 坝 体 剖 面 在 同 一 高 程 上 的 5个 观 测 点 ， 从 上 游 到 下 游 依 次 分 布 。 其 中 ，观 测 点 S G 2 2位 于 坝 轴 线 处 。 这 5个 观 测 点 在 2 0 0 0年 2 01 1年 期 间 均 运 行 良 好 ， 记 录数 据连续 性 较好 。沉 降位移 过程 线见 图 2 。 根据 大 坝 内部 变 形 观测 数 据 可 知坝 体 的水 平 和 沉 降 位 移 的 横 向 分 布 规 律 ， 即 在 同 一 高 程 上 各 观 测 点 的水 平 和沉 降 位 移均 在 坝 轴线 处 最 大 ，向上 游 或 下游 逐渐 减 小 。观 测点 S G2 2处 的最 大 沉 降位 移 为 6 7 5 mm ( 占坝 高 的 0 7 3 ) 。 大 坝 在 修 建 和 运 行 初 期 总 的变化 趋 势 为 水平 和 沉 降位 移 的累计 值 呈 增 加 趋 势 ，整体 变 形 较 大 ，但 在 以后 的运 行 过程 中 ，变 形 逐 步 趋 于 稳 定 。 同样 根 据 大坝 外 部 变形 观 测 数据 可 知 坝 体 在 顺 河 谷 方 向 的位 移 和沉 降 位 移 的纵 向分 布规 律 ， 即 坝体 在顺 河 谷 方 向的位 移 和 沉 降位 移 均 在 坝体 的 中 圜Wa e r P o w e r V o 1 4 0N o 1 2 8 0 0 7 0 0 6 0 0 蠢 0 0 4 0 0 崮 3 0 0 2 0 0 l O O 图 2坝体 内部测点沉 降位移过程线 间 部 分 最 大 ， 向 两 岸 方 向 逐 渐 减 小 。 这 个 趋 势 在 大 坝 上 游 面 的 中 偏 下 部 区 域 表 现 最 为 明 显 ，其 中 位 于 该 区域 坝 轴 线 处 的 I 1 7测 点( 位 于 上 游 面 中偏 下 部 区 域 坝 轴 线 处 )沿 顺 河 谷 方 向 的 位 移 与 两 岸 测 点 位 移 的 相 对 差 值 分 别 为 6 4 mm ( 左 岸 )和 8 9 mm ( 右 岸 1 ，与 两 岸 测 点 相 对 沉 降 的 最 大 差 值 分 别 为 1 0 4 mm ( 左 岸)和 1 3 8 mm ( 右 岸 ) ，这 说 明 坝 体 中 部 的 变 形 比 两 岸 大 得 多 。 同 样 ， 在 大 坝 运 行 初 期 ，顺 河 谷 方 向 的 位 移 和 沉 降 位 移 的 累 计 值 呈 增 加 趋 势 ，其 变 化 在 一 定 程 度 上 受 水 位 变 化 的 影 响 ， 但 在 以 后 的 运 行 过 程 中 ，虽 然会 随水 位 变化 有 一 定 的 波动 ，但 整体趋 于稳 定 。 总 体 来 说 虽 然 大 坝 在 运 行 初 期 内部 和 外 部 变 形 较 大 但 经过 十多年 的运行 ，整体变 形已趋 于稳 定。 3 模拟计算 综 合 考 虑 大 桥 水 库 面 板 堆 石 坝 的 地 质 地 形 条 件 ， 选 取 沿 坝 轴 线 的 断 面 建 立 二 维 有 限 元 模 型 ，对 大 坝 在正 常 运 行期 间 的变形 进 行 模 拟 ，并 与部 分实 际观 测 数 据 进 行 对 比 分 析 。 大 坝 的计 算 模 型 坐 标 系 规 定 为 ： 轴 为 顺 河 流 方 向 ，指 向 下 游 为 正 ，取 坝 轴 线 为轴 零 点 ；y轴 为 竖 直方 向 ，指 向上 方 为 正 。计 算 模 型 采用 映射 划分 网格 ，见 图 3。 图 3大坝二维有 限元计算模型 根据 断 面 的设 计 ，坝 体 的材 料 分 区 为 坝体 垫 层 料 、过 渡 料 、堆 石 料 ，压 重 料 和覆 盖 料 ，其 物理 力 学指 标 和 相关 参 数 均 满 足设 计 要求 。坝 体 材料 物 理 01 0 0 I 8 0 _ 6 0 0 0 n 0 _ 8 0 0 0 -I _ 【 _ 9 0 0 碎9 o - 苔。 N 聃 0一 - z 0 0 0 0 00 一 0 - l 0 0 o _【 0 - 0 0 0 7口L = 7口 日E Jt l g J 1丁 ， 口 L L c I ，口： u 卜jFI , K u，l ， J ， J 。 l ， 力 学 指 标 见 表 1 。 表 1 主坝坝体材料物理力学指标 利 用 有 限 元 软 件 ANS YS对 在 正 常 水 位 工 况 下 运 行 的 大 桥 水 库 面 板 堆 石 坝 进 行 二 维 模 拟 得 出与 S G2 2观 测 点相 对 应 节 点 单元 的沉 降 位 移 ，并 与该 观 测 点 的实 际最 大 沉 降 位移 进 行 对 比分 析 7 1 。模 拟 的 二 维 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 的 沉 降 位 移 见 图 4 。 0 6 7 3 6 4 3 0 5 2 3 8 8 6 O 3 7 4 1 2 8 O 2 2 4 3 7 1 - 0 ： 0 7 6 i 3 0 5 9 8 7 6 4 0 4 4 9 0 0 7 0 2 9 9 2 4 9 0 A4 9 4 9 2 0,0 0 0 2 6 6 图 4坝体 内部 沉 降位 移( 单 位 ：m) 从 图 4中可 以看 出 坝体 的最 大 沉 降位 移值 在 坝 轴 线 处 ， 向 上 、 下 游 逐 渐 减 小 ， 其 中 与 观 测 点 S G2 2相 对 应 的 沉 降 位 移 模 拟 值 为 6 7 3 mm。 4 对比分析 结 合 图 3、4分 析 可 知 ，观 测 点 S G2 2的 沉 降 位 移 观 测 值 为 6 7 5 mm， 与 有 限 元 模 拟 值 6 7 3 mm 的相 对 误 差 为 0 2 9 6 说 明 大 坝 的模 拟 值 与 实 际 观 测 值 相 差 较 小 ：在 实 际 观 测 资 料 中 ，坝 体 的 最 大 沉 降 位 移 在 坝 轴 线 处 ， 向上 、下 游 逐 渐 减 小 ，而 有 限 元 模 拟 结 果 与 实 际 变 化 规 律 也 基 本 保 持 一 致 。 总 的 分 析 结 果 表 明 ，有 限 元 模 型 的 模 拟 值 和 实 际观 测 值 吻合 较 好 ，并且 坝 体 剖 面 各 观测 点 的沉 降 位 移 的 变 化 规 律 与 实 际 观 测 值 也 基 本 一 致 。但 是 ， 由 于 该 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 的 地 质 和 水 文 条 件 十 分 复 杂 有 限元模 型不 能 完 全 真实 地 模 拟 其结 构 ，故 与 实 际情 况 存 在一 定 的误 差 ，但 总体 上 符合 有 限元 分 析 的 一 般 规 律 。 5 结语 ( 1 )通过 对 凉 山州 大桥 水 库 面 板堆 石 坝 的实 际 观测 资 料 的 整理 和 分 析 ，了解 了大 坝在 运 行期 间 内 部 和外 部 的 变形 规 律 ，即纵 向分 布 坝体 中部 水平 位 移 最 大 ，向两 岸 逐 渐 降低 ；横 向分 布 坝 体 轴 线处 沉 降量 最 大 ，向上 、下 游逐 渐 降 低 ，并 基 本 稳 定 。总 体 位移 和沉 降量 均在 合理 的 范 围内 。 ( 2 ) 利 用 有 限 元 软 件 ANS YS对 大 坝 的 典 型 剖 面 进 行 有 限 元 分 析 。 对 坝 轴 线 处 的 最 大 沉 降 量 观 测 点 进 行 的 对 比 分 析 结 果 表 明 ， 相 应 节 点 单 元 的 模 拟 数 值 与 观 测 数 值 基 本 吻 合 。其 变 化 规 律 也 基 本 一 致 。 ( 3 )布 置 在大 坝 内部 的 面板 位 移 观测 计 、面板 应 力 变 形 观测 计 、无 应力 计 、应 变计 、钢 筋 计 等全 部 处 于 失 效 状 态 ， 并 且 大 坝 表 面 的 部 分 观 测 点 也 已 损 坏 ，无 法 取 得 更 多 的 观 测 数 据 ，建 议 尽 快 恢 复 损 坏 的 观 测 点 。 参考文献 ： 1 曹克明 ，汪易森 ，徐建军 ，等 混凝 土面板堆石坝 M 北京 ：中 国水利水 电出版社 ，2 0 0 8 2 杨 艳泽 ，周 建平 ，蒋 国澄 ，等 中 国混凝土 面板 堆石坝 的发 展 J 水力发 电，2 0 1 1 ， 3 7 ( 2 ) ：1 8 2 3 3 杨 星 ，许健 小河 湾水库混 凝土面板 堆石坝应 力应变 计算分 析 J 甘肃农业大学学报 ， 2 0 1 2， 4 7 ( 3 ) ：1 3 8 1 4 2 4 谢新生 ，李秀丝 ，曾强 凉山州大桥水库大坝 观测 资料分 析 R 成都 ：四川大学水利水 电学院 ， 2 0 0 9 5 佘成学 ， 郑华伟 小河面板堆石坝应力与应变分析 J 武汉 大学 学报 ： 工学版 ， 2 0 0 6， 3 9 ( 5 ) ： 1 0 1 3 6 黄劲松 ，朱晓玲 ，潘超 混凝土面板堆石坝应 力应变 有限元 分析 J 水利水 电工程设计 ， 2 0 0 5，1 0 ( 2 ) ： 4 0 4 4 7 何 自立 ，杨建 国，靳 国云 ，等 基于新 维无偏灰色马尔科 夫模型 的大 坝沉 降 预测 研究 J 西 北农 林 大 学学 报 ：自然 科 学版 ， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 5 ) ：2 1 3 - 2 1 8 8 Z HO U We i ，HU A J u I 】_j i e ，C HA N G X i a o l i n S e t t l e m e n t a n a l y s i s o f t h e S h u i b u y a c o n c r e t e f a c e r o c k fi l l d a n a J C o m p u t e r s a n d G e o t e c h n i c s ， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 2 ) ： 2 6 9 2 8 0 9 N I U J i n g t a i ，Z H O U B i n ，P E N G Yo u w e n ，e t a 1 A p p l i c a t i o n o f i mpr o v e d me t a b o l i c GM mo d e l i n an a l y z i n g s e t t l e me n t o f e a r t h r o c k d a m i n t h e p e r i o d o f c o n s t r u c t i o n J P r o c e d i a E a r t h a n d P l ane t a r y S c i e n c e ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 2 1 3 2 1 7 ( 责任 编辑杨健 ) W a t e r P o w e r V o 1 4 0 N o 1 2 囫