葠窝水库挡水坝段的有限元平面模拟分析

王阿敏，贾庆稳，马 艳，郑小琼

（1.辽宁省供水局，沈阳 110003；2.辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006；3.西北勘测设计研究院，西安 710065；4.广东技术师范学院天河学院，广州 510540）

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葠窝水库挡水坝段的有限元平面模拟分析

王阿敏1，贾庆稳2，马 艳3，郑小琼4

（1.辽宁省供水局，沈阳 110003；2.辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006；3.西北勘测设计研究院，西安 710065；4.广东技术师范学院天河学院，广州 510540）

文章以葠窝水库挡水坝段为研究对象，对老坝即建成之初工况进行了有限元平面模拟，通过周密详尽的计算，结论与实际情况符合，为挡水坝的安全结构设计提供了可靠的参考依据。

葠窝水库；挡水坝；有限元；平面模拟分析

葠窝水库是“文革”期间比较有代表性的病坝之一，在当时由于受到了政治环境和技术的限制，坝体在施工过程当中留下了较多的质量问题，曾被评为中国最危险的43座大型病险水库之一。鉴于此，笔者通过进行有限元平面模拟分析，不仅能够为水库挡水坝段的安全性评价提供重要的数据参考，同时还能为安全结构的设计提供重要的数据支撑。

1 工程概况

葠窝水库是辽宁省大型水库之一，始建于1973年，位于辽宁省辽阳市境内的太子河干流上。葠窝水库具备防洪、灌溉、工业用水以及供水发电等较为综合的大型水利枢纽，流域面积高达6175km2，年径流量24.5亿m3，最大库容7.91亿 m3。其中观一葠区间流域面积3380km2，占水库以上流域面积的55%。葠窝水库1～3＃和 22～31＃坝段为挡水坝，长达217.3m。

2 计算工况、计算模型及边界条件

2.1 计算工况

选取葠窝水库典型坝段—挡水坝段，对其进行有限元平面模拟。大坝平面有限元模型采用平面4节点等参单元进行模拟，地基为均质岩体。采用线弹性本构关系。混凝土的弹模为26.7GPa，基岩的弹模为6GPa，混凝土泊松比和基岩泊松比分别取0.167和0.3，容重为24kN／m3。基岩为无质量地基。模型坐标：以上游面水平垂直水流方向为x轴；以竖向为y轴，竖直向上为正。在地基的两侧施加了法向约束，在地基底部施加法向和切向的两向约束［1］。为了减少因模型本身对计算产生的影响，在廊道等部位进行的较精密的网格划分。

2.2 挡水坝段的计算模型及结果分析

计算模型的荷载大致分为3步加载：①施加自重；②施加上、下游水压力；③施加扬压力。挡水坝段扬压力简图如图1所示。

图1 挡水坝段扬压力示意图

主要的荷载包括：

1）坝体的自重：取混凝土容重24kN／m3。

2）水容重：9.8kN／m3。

3）上游：正常高水位为38.6m；设计水位为42.8m；校核水位为44m。

挡水坝段有限元模型网格图见图2。

4）下游：正常高水位为7.87m；设计水位为8m；校核水位为9.64m。

图2 挡水坝段有限元模型网格图

从图2中可以看出：坝体主要处于压应力状态，仅上层廊道周围及帷幕廊道底部有较小范围的拉应力出现，坝体上下游坝面未见明显拉应力出现。当大坝受到正常高水位压力及扬压力作用后，与工况一相比，坝体的压应力减小，坝踵与坝趾及上下游坝面未见拉应力，仅上游地基与坝踵相交处及灌浆廊道出现一定拉应力，但拉应力范围＜1m，且最大值＜0.3MPa，坝体整体仍处于压应力状态。

当坝体受到设计水位作用时，坝踵与坝趾及上下游坝面未见拉应力，仅上游地基与坝踵相交处及灌浆廊道出现一定拉应力，但拉应力范围＜1m，且最大值＜0.3MPa，坝体整体仍处于压应力状态。坝体的应力趋势与工况二相比没有太大变化。

当坝体受到校核水位作用时，坝踵与坝趾及上下游坝面仍未见拉应力，仅上游地基与坝踵相交处、灌浆廊道底部及下游排水廊道左侧坝肩出现一定拉应力，但拉应力范围均＜1m，且最大值＜0.4MPa，坝体整体仍处于压应力状态。坝体的应力趋势与工况三相比没有太大变化。仅应力值略有增加。

挡水坝段在不同工况下情况下坝踵垂直应力分布图见图3所示，从图3中可以看出，坝踵处的垂直应力主要为压应力，在只有自重的情况下，坝踵及廊道的压应力较大，有小范围的应力集中，施加水压力及扬压力后，水压力的作用减小了自重作用的压力，使坝踵处的压应力相应减少。

图3 挡水坝段自重作用下坝踵垂直应力分布图

坝基几个代表点的垂直应力值，见表1，负号代表压应力，正值代拉应力。从表1中可以看出：坝基各点的应力值均为负值，即压应力。坝踵自重情况下压应力值2.6MPa，在校核洪水位下1.5MPa左右。坝趾自重情况下压应力值0.7MPa，在校核洪水位下1.9MPa左右。其他部位压应力值较小，均小于1MPa。

表1 各工况下坝基代表点垂直应力表 MPa

［1］宋曰良.辽宁葠窝水库溢流坝段裂缝状态下地震反应分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

Finite Element Simulation Analysis of Shenwo Reservoir Dam Section

WANG A-min1；JIA Qing-wen2；MA Yan3and ZHANG Xiao-qiong4
（1. Liaoning Water Supply Bureau，Shenyang 110003，China；2. Liaoning Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Shenyang 110006，China；3. Northwest Investigation，Design and Research Institute，Xi'an 710065，China；4. Tianhe College of Guangdong Technology ＆ Education Institute，Guangzhou 510540，China）

Taking the damsection of Shenwo Reservoir as study case，the engineering conditions when the old dam was built is simulated by finite element method. By detailed calculating，the yare consistent with the conclusion and the actual situation and provide reliable design reference for safety structure design.

Shenwo Reservoir；dam；finite element；simulation analysis

TV223.4

B

1007－7596（2014）08－0064－02

2014－04－11

王阿敏（1986－），女，山东诸城人，助理工程师，研究方向为水库管理；贾庆稳（1986－），男，山东嘉祥人，助理工程师，从事水利工程设计工作；马艳（1987－），女，陕西西安人，助理工程师，从事水利工程设计工作；郑小琼（1987－），女，河南南阳人，讲师，从事地下结构抗震研究。