观文水库大坝应力变形有限元分析

付艳林，李志强，刘 勇

（河南省豫北水利勘测设计院,河南安阳，455000）

观文水库大坝应力变形有限元分析

付艳林，李志强，刘 勇

（河南省豫北水利勘测设计院,河南安阳，455000）

沥青混凝土心墙坝具有结构简单、建造经济、受气候条件影响小等优点，越来越受到人们的关注。采用Dun⁃can-Chang非线性E-B模型模拟大坝堆石体及沥青混凝土心墙的本构关系，考虑沥青混凝土心墙与坝体堆石料间的接触，采用二维有限元方法对某沥青混凝土心墙坝应力变形进行计算分析。从理论上计算大坝的最大、最小应力及变形量，为大坝的结构计算提供参考。

观文水库；沥青混凝土；心墙坝；应力变形

1 工程概况

观文水库工程是一座以灌溉为主，兼顾场镇供水、灌区人畜供水等综合利用的中型水利工程。设计正常蓄水位1 090.00 m，总库容1 338万m3。大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高46.00 m，坝顶长150 m，宽7 m，坝基覆盖层厚度约10 m。

2 大坝结构设计

大坝上游采用C25预制混凝土六棱块护坡，下游采用干砌块石护坡。坝体自上游至下游依次为上游堆石料、上游过渡料、沥青混凝土心墙、下游过渡料、下游堆石体，下游堆石体又分为强风化料区和弱风化料区。沥青混凝土心墙下设基座，基座底部设两排帷幕灌浆、两排固结灌浆，大坝典型剖面图见图1。

3 应力变形计算

3.1 计算方法

应力变形计算采用二维有限元法。计算程序采用河海大学工程力学研究所编制的《水工结构分析系统（AutoBANK v7.07）》，按各向同性介质模型，手动生成单元格，模拟坝体填筑顺序，分层加载。

3.2 计算工况

应力变形计算应包括以下工况组合：

（1）工况Ⅰ：竣工期，上下游均无水；

（2）工况Ⅱ：蓄水期,上游正常蓄水位1 090.00 m，下游无水。

3.3 计算采用参数

选取河床部位典型剖面，采用邓肯-张E-B模型，对坝体进行平面应力应变分析。计算参数根据地质资料及室内试验成果，结合工程类比确定，主要计算参数取值详见表1。

图1 大坝典型断面图Fig.1 Typical section of the dam

表1 计算参数Table 1 Calculation parameters

3.4 计算模型

坝体按材料分上游堆石料、上下游心墙过渡料、沥青混凝土心墙、下游强风化石渣料、下游弱风化石渣料、下游堆石料、排水棱体及混凝土基座9个分区。结合各分区及马道的位置，自下而上平均每3 m分一层，至坝顶共分17层，每层再划分单元，共划分925个单元，接触面采用Good⁃man单元，坝体与地基之间按固结处理。计算模型见图2。

3.5 计算结果

计算结果见表2。竣工期和蓄水期坝体位移、应力等值线见图3～10。

表2 竣工期和蓄水期应力应变计算成果Table 2 Calculation results of stress-strain during completion period and storage period

图2 大坝应力计算模型Fig.2 Stress analysis model for the dam

图3 竣工期水平位移计算成果Fig.3 Calculation results of horizontal displacement during completion period

图4 竣工期竖向位移计算成果Fig.4 Calculation results of vertical displacement during completion period

图5 竣工期大主应力计算成果Fig.5 Calculation results of major principal stress during completion period

图6 竣工期小主应力计算成果Fig.6 Calculation results of minor principal stress during completion period

图7 蓄水期水平位移计算成果Fig.7 Calculation results of horizontal displacement during storage period

图8 蓄水期竖向位移计算成果Fig.8 Calculation results of vertical displacement during storage period

图9 蓄水期大主应力计算成果Fig.9 Calculation results of major principal stress during storage period

图10 蓄水期小主应力计算成果Fig.10 Calculation results of minor principal stress during storage period

4 成果分析

竣工期坝体水平位移的两个极值分别位于坝体上、下游大约1/3坝高处的上、下游填料中部，竖向位移最大值位于心墙附近1/2坝高处，与荷载逐级加载的变形机理吻合，水平位移最大变形量为坝高的0.17%，竖向位移变形量为坝高的0.53%，与同级别沥青混凝土心墙坝相比，变形量均在合理范围内。

蓄水期坝体上游水平位移极值位置较竣工期稍偏下，坝体竖向位移及大主应力值较竣工期均有一定减小，这是由于蓄水之后，上游坝体受水重影响，水平位移极值下移，由于水的浮力作用，使坝体各单元卸荷，有效应力减小。数值上，水平位移最大变形量为坝高的0.29%，竖向位移变形量为坝高的0.52%，变形量也在合理范围内。

由主应力等值线图可以看出，竣工期、蓄水期坝体大主应力和小主应力的最大值均出现在大坝底部沥青混凝土心墙附近。

5 结语

通过对观文水库沥青混凝土心墙坝竣工期和蓄水期两种工况的应力变形计算，从理论上求出大坝的最大应力、应变以及最大应力应变发生的位置，为大坝的施工控制及后期的监测提供了参考依据。 ■

[1]殷宗泽.土工原理[M].北京：中国水利水电出版社,2007.

[2]顾淦臣.水工设计手册[M].北京：水利电力出版社,1984.

[3]河南省豫北水利勘测设计院.四川省古蔺县观文水库工程初步设计报告[R].2013.

[4]SL274-2001,碾压式土石坝设计规范[S].中华人民共和国水利部.

水利部大坝安全管理中心孙金华主任一行到国家能源局大坝安全监察中心开展工作交流

据国家能源局大坝安全监察中心2014年12月25日上午，水利部大坝安全管理中心孙金华主任一行4人来到国家能源局大坝安全监察中心（以下简称“大坝中心”）进行调研。大坝中心总工程师张秀丽同志主持会议迎接孙主任一行来访，大坝中心各部门在杭负责人参加了会议。

张秀丽总工首先代表大坝中心对孙金华主任一行的到来表示热烈欢迎，双方对各自发展历史和现状作了简要介绍，并就水电站大坝安全日常管理与信息化建设等内容进行了交流沟通。

孙金华主任高度赞扬和肯定了大坝中心科学化、规范化管理的成果，并就双方共同开展科研攻关、提升大坝安全监管技术能力、加强学术交流等方面加强合作表达了强烈的意愿。

张秀丽总工表示国家历来重视大坝安全管理，水利和电力同行共同加强合作，共同寻求创新，对于提升我国的大坝安全管理能力具有重要意义。两个中心既要各自发挥优势，寻求适应自己的发展之路，也要亲密合作，互相学习，共同把大坝安全监管工作做得更好。

此次同行交流对于双方建立联系、促进大坝安全管理工作提升具有积极意义。

As the benefits of simple structure,economic construction and less effect of weather,asphalt concrete core wall dam gets more and more attention.In this paper,the nonlinear Duncan-Chang E-B model is used to establish the constitutive relation between the asphalt concrete core wall and the dam. Considering the contact between asphalt concrete core wall and the dam,two-dimensional finite element method(FEM)is adopted in calculation of the stress-strain of the asphalt concrete core wall.Theoretical calculation on the maximum and minimum stress and deformation of the dam provides a reference for the structural calculation of the dam.

Guanwen reservoir;asphalt concrete;core wall dam;stress-strain

TV698.1

B

1671-1092（2014）06-0057-05

2014-07-10；

2014-07-16

付艳林（1983-），男，河南林州人，工程师，主要从事水工设计工作。

Title:Finite element analysis of the deformation and stress of Guanwen reservoir dam//by FU Yan-lin, LI Zhi-qiang and LIU Yong//Hydraulic Engineering Prospecting and Design Institute Of North Henan