新疆EDG水库沥青混凝土心墙坝三维有限元分析

杨春雁，吴俊杰，2

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000；2.南京水利科学研究院，南京 210000）

新疆EDG水库沥青混凝土心墙坝三维有限元分析

杨春雁1，吴俊杰1，2

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000；2.南京水利科学研究院，南京 210000）

采用邓肯-张E～μ模型对EDG水库大坝进行了三维非线性有限元静力分析，通过对沥青混凝土心墙坝的应力与应变分析，研究满蓄期砂砾料坝体的应力、位移分布。结果表明：大坝变形量值和分布规律基本合理，应力应变均在合理范围，大坝安全稳定。

沥青混凝土心墙坝；非线性有限元；静力分析；应力应变

1 工程简介

EDG水库具有防洪、供水、灌溉等综合利用效益。控制灌溉面积10.7万亩，担负下游工业园区、矿区和农业灌溉的供水任务，总库容4 450万m3，兴利库容3 050万m3，死库容850万m3，为Ⅲ等中型水利工程。水库枢纽布置：河道中间是沥青混凝土心墙坝、右岸岸边为开敞式正槽溢洪道、以及导流兼冲沙放空洞、左岸为输水隧洞。

2 计算模型选用

沥青混凝土心墙和砂砾石堆石料在大坝中起到主要受力作用，为了能够更好地评测大坝的安全合理性，能够较好地模拟出沥青混凝土料与堆石料的应力应变关系，对大坝的安全影响评价至关重要[1]。通过大量的试验，国内外的研究学者发现沥青混凝土料与堆石料料的应力应变关系，与剪应力水平而变化和加载应力路径密切相关。结果得到沥青混凝土料与堆石料的应力应变关系明显呈现出非线性特性。在国内外，通过大、小三轴试验仪，测出这种非线性材料的剪应力与轴应变的关系，用这个非线性的应力应变关系反映沥青混凝土料与堆石料的本构关系。这类非线性材料的本构关系用的较多的是邓肯-张模型，还有一些是用的南水模型[2]。通过大量的试验研究，发现南水模型比邓肯-张模型计算的变形数值要小一些。为了安全起见，本次数值模拟用邓肯-张的E～μ模型来反应沥青混凝土料与堆石料的本构关系，分别用切线变形模量Et和切线泊松比μt为计算参数[3]。

上述公式中共有5个常数分别是K、n、φ、c、Rf，通过这5个常数可以很好地反应出材料的本构关系。

根据大量三轴试验，邓肯等人发现应变ε1与侧向应变ε1之间也存在一个双曲线关系，之后提出了切线泊松比的数学表达式：[1]

μt是应力的函数，不是泊松比，也不是常量，它是通过3个参数G、F、D来确定的值[4]。

上述两式（1）和（2）就是邓肯-张E～μ模型，两式中一共有8个参数，通过常规的三轴常规试验来获取这些参数[5]。这些参数在推导过程中都具有明确的物理意义，所以可以很好的被工程技术人员所理解，经过长时间的使用，已经积累了较为丰富的运用经验，基本能够反映出非线性料的本构关系[6]。

3 坝体几何模型

对大坝进行剖分，本次计算采用六面体实体单元来剖分坝体以及基岩，通过剖分得到整个模型结构的总结点数为11 655个，总单元数为9 888个。沥青混凝土心墙节点486个，单元192个，心墙几何尺寸一般为4.7 m，仅在坝顶最上一层个别区域的实体边界可达12 m。大坝整体剖分网格如图1所示。

图1 有限元剖分网格

4 计算成果与分析

图2为满蓄期大坝整体变形示意图（放大200倍），坝体位移分布与国内外同类工程相似，基本符合沥青混凝土堆石坝体的变形规律。

图3～6为满蓄期坝体最大剖面堆石体的上下游方向（顺河向）水平位移、竖向位移及应力等值线分布图。当水库蓄水后，沥青混泥土心墙在水荷载的作用下，大坝整体与心墙有向下游移动的趋势，向上游最大水平位移减小到8.0 cm，位于上游坝体1/3坝高附近；向下游最大水平位移增大为15.7 cm，位于下游坝体2/3坝高附近。最大竖向位移为32.5 cm，大坝最大沉降约为坝高的0.38%，最大值的位置与竣工期相比稍偏向上游，均在已建工程监测值范围内。

图7～9为沥青混凝土心墙的大、小主应力及剪应力水平等值线图，根据图7、8可以得到竣工期的大、小主应力均为压应力，没有出现主拉应力区。大主应力最大值为1.833 MPa，小主应力最大值为1.100 MPa，蓄水期的大主应力的最大值为1.885 MPa，小主应力最大值为1.238 MPa。在心墙下部1/3的坝高处，个别单元的第三主应力有较小的拉应力出现，其最大极值为-0.045 MPa。这不会因出现小范围的拉应力而引起拉裂，影响沥青混凝土心墙的防渗性能。图9为沥青心墙的的剪应力水平等值线图，从图中可以得到心墙最大值剪应力值出现在左岸与心墙接触面附近为0.36，但均小于1。

图2 满蓄期大坝整体变形图（放大200倍）

图3 满蓄期最大剖面水平位移等值线图（cm）

图4 满蓄期最大剖面垂直位移等值线图（cm）

图5 满蓄期最大剖面大主应力等值线图（MPa）

图6 满蓄期最大剖面小主应力等值线图（MPa）

图7 满蓄期沥青混凝土心墙轴线剖面大主应力等值线图（MPa）

5 结论

根据室内大、小三轴试验资料，整理出邓肯-张模型的力学参数，对EDG沥青混凝土心墙堆石坝进行三维非线性有限元静力计算，结果表明：静力计算得到的大坝变形量值和分布规律基本合理，最大沉降发生在蓄水期为为坝高的0.38%。坝体位移分布在国内外工程的经验范围内。沥青混凝土心墙的大小主应力均为压应力，有很少的单元出现拉应力区域，但是拉应力极值都小于沥青材料的拉应力值，可知沥青心墙在竣工期与蓄水期时不会出现拉伸破坏。同时沥青心墙的剪应力水平值均小于1，基本没有单元在竣工期与蓄水期时产生剪切破坏，这样也降低了沥青心墙水力劈裂的可能性，研究成果基本可以作为大坝设计的依据。

图8 满蓄期沥青混凝土心墙轴线剖面小主应力等值线图（MPa）

图9 满蓄期沥青混凝土心墙轴线剖面应力水平等值线图

[1] 谢定义，姚仰平，党发宁.高等土力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 顾淦臣，黄金明.混凝土面板堆石坝的堆石本构模型与应力变形分析[J].水力发电学报，1991（1）：12-14.

[3] 吴俊杰，凤 炜，刘 亮，等.山前倾斜平原水库全库盘防渗复合土工膜应力应变分析[J].水电能源科学，2013（12）：22.

[4] 吴 强.应力应变有限元法在面板堆石坝设计中的应用[J].广西水利水电，2009（1）：23-27.

[5] 唐 岗.斧子口水利枢纽溢流坝三维有限元分析[J].广西水利水电，2013（3）：28-32.

[6] 纪 亮，张建海，何昌荣，等.双江口水电站心墙堆石坝应力应变数值分析[J].广西水利水电，2008（4）：4-7.

（责任编辑：周 群）

3D finite element analysis for asphalt concrete core wall dam of EDG Reservoir in Xinjiang

YANG Qiu-yan1,WU Jun-jie1,2
（1.Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Institute,Urumqi 830000,China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Liaoning,Nanjing 210000,China）

3D finite element static analysis was conducted with the Duncan-Chang model for the main dam of EDG Reservoir.Based on stress and strain analysis of the asphalt concrete core wall dam,the stress and displacement dis⁃tribution of sand gravel dam body under full impoundment was studied.The results of study demonstrate that main dam is safe and stable with deformation value and distribution rule being rational,stress and strain within accept⁃able range.

Asphalt concrete core wall dam;non-linear finite element;static analysis;stress and strain

TV641.41

B

1003-1510（2016）02-0051-03

2016-01-06

杨春雁（1980-），女，新疆乌鲁木齐人，新疆水利水电勘测设计研究院工程师，学士，主要从事水利工程勘察、设计工作。