泸定水电站心墙堆石坝有限元计算分析

张喆瑜

(水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012)

1 工程概况

泸定水电站位于四川省泸定县境内。水库正常蓄水位为1 378.00 m，总库容2.195亿m3，调节库容0.22亿m3，装机容量920 MW。拦河大坝为粘土心墙堆石坝，最大坝高84 m，坝顶长约537 m，大坝由粘土心墙、反滤层、过渡区、堆石区组成。坝基防渗采用一道悬挂式混凝土防渗墙，大坝心墙、混凝土防渗墙、覆盖层灌浆帷幕、围堰防渗墙及两岸岸坡和坝肩的帷幕灌浆共同构成该工程的防渗系统。

有关土石坝材料本构模型的研究多年来是我国具有特色的一个研究领域，众多学者在该领域进行了卓有成效的研究工作，提出了多个带有鲜明特点的本构模型[1]，其中Duncan E-v和双屈服面弹塑性模型(以下简称“南水模型”)特点尤为明显，适用场合也有差异[2]。本文通过泸定水电站粘土心墙堆石坝有限元的实例，分析两者的差异。

有学者采用二维拉格朗日有限差分法,建立了二维土石坝有限元分析模型，用于土石坝除险加固设计中[3]，还有学者对卵砾石深覆盖层堆石坝防渗体系的应力变形特征研究表明：心墙大主应力在80%墙体深度以下增加较快,明显存在“应力拱”现象；基础防渗墙蓄水期大小主应力均在70%墙体深度附近出现拐点,水平位移在30%墙体深度附近出现最大值拐点值[4]。

2 研究目的及方法

本文分别采用Duncan E-v和双屈服面弹塑性本构模型，以泸定水电站粘土心墙堆石坝为例，通过有限元计算，分析大坝在竣工期、运行期坝体、坝基防渗墙体的应力应变情况，对比分析坝体的应变变形特性。

3 计算模型及参数

3.1 计算模型

本文取大坝最大剖面，主要给出Duncan E-v模型的计算结果，同时以沈珠江院士提出的“南水”双屈服面弹塑性模型作为比较模型进行坝体应力变形分析。本文混凝土结构采用线弹性模型，心墙土体中的孔隙流体假定为可压缩的水气混合流体对待[5-7]。

3.2 计算参数

Duncan E-v模型和南水模型计算参数均采用大连理工大学试验成果(见表1)。

表1 计算参数(试验参数)

3.3 计算条件

计算中对心墙土体、高塑性土、坝基2-3按3个位移分量和1个孔隙水压力共4个自由度(平面问题按2个位移分量和1个孔隙水压力共3个自由度)处理，其它材料仅考虑位移分量，按3个自由度(平面问题按2个自由度)，岩基则按不变形不透水考虑。

坝体平面应力应变计算采用有效应力法和相应的有限元程序EFES2D进行。计算时采用逐级加载的方法模拟坝体施工工序，水库蓄水过程通过水荷载分级施加进行模拟，具体模拟顺序为：天然坝基覆盖层→大坝防渗墙、廊道和上游围堰防渗墙浇筑→上游围堰填筑，历时120 d→上游围堰挡水(水位上升至1 339.8 m)，历时30 d→坝体及弃渣压重体填筑，填筑强度为每月6 m→水位由1 339.8 m至正常蓄水位1 378.00 m，历时40 d→大坝在正常蓄水位下运行1 460 d(4 a)，每半年一步。

4 坝体应力应变计算结果

4.1 Duncan E-v模型计算结果

图1和图2分别为采用Duncan E-v模型计算得到的该剖面在竣工期、蓄水期的顺河向位移和沉降等值线图。图3和图4则为竣工期、蓄水期的大小主应力计算结果。

图1 竣工期最大剖面变形分布图

图2 蓄水期最大剖面变形分布图

图3 竣工期最大剖面应力分布图

图4 蓄水期最大剖面应力分布图

4.2 南水模型计算结果

图5和图6分别为采用南水模型计算得到的该剖面在竣工期、蓄水期的顺河向位移和沉降等值线图。图7和图8则为竣工期、蓄水期的大小主应力计算结果。

图5 竣工期最大剖面变形分布图

图6 蓄水期最大剖面变形分布图

图7 竣工期最大剖面应力分布图

图8 蓄水期最大剖面应力分布图

5 结论与建议

对比Duncan E-v模型和南水模型的计算分析结果(见表2)，可见Duncan E-v模型计算得到的竣工期坝体最大沉降为180.3 cm，指向上、下游向的水平位移最大值分别为22.7 cm和58.6 cm；南水模型得到的竣工期坝体最大沉降为197.9 cm，指向上、下游向的水平位移最大值分别为9.8 cm和24.6 cm。

表2 Duncan E-v模型和南水模型结果比较表

从等值线图上看，最大沉降量、水平位移均发生在堆石体内，而大主应力主要集中在心墙和堆石体的交界面上，可见两种模型对应力应变的规律均表现良好，但Duncan E-v模型最大位移比南水模型大1倍，而最大主应力却比南水模型小20%，定性的说明Duncan E-v模型与实际偏离较大，因此，南水模型更适合用于心墙堆石坝的有限元分析。