基于ANSYS的面板堆石坝筑坝过程应力变形分析

摘 要：【目的】面板堆石坝筑坝过程中的应力变形对评估坝体的安全性和稳定性具有重要意义。【方法】采用有限元软件ANSYS对某水库大坝的筑坝过程进行数值模拟，采用分层加载的方式模拟面板堆石坝的施工过程。【结果】模拟结果表明，随着坝体填筑层数的增加，其变形量与应力变化量都随之逐渐增大，当坝体填筑完成开始蓄水时应力变化不大。【结论】通过对坝体的应力变形进行分析，对面板堆石坝筑坝过程中的坝体应力变形特性有了更加深入的了解，对实际工程具有指导意义。

关键词：ANSYS；面板堆石坝；筑坝过程；应力变形

中图分类号：TV641 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）15-0042-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.009

ANSYS-Based Stress-Deformation Analysis of the Dam Construction Process of Panel Rockfill Dams

HU Chaozhong1 FU Linie2

（1.Yunnan Water Conservancy and Hydropower Vocational School， Kunming 650000， China;

2.Yunnan Jiaofa Consulting Company Limited， Kunming 650000， China）

Abstract： [Purposes] Stress deformations during the construction of panel rockfill dams are important for assessing the safety and stability of dams. [Methods] In this paper， the finite element software ANSYS is used to numerically simulate the dam construction process of a reservoir dam， and the construction process of panel rockfill dam is simulated by loading in layers. [Findings] The simulation results show that with the increase of the number of dam filling layers， the deformation and stress variation increase gradually. When the dam filling is completed to storage water， the stress changes little. [Conclusions] By analyzing the stress and deformation of the dam body， the stress and deformation characteristics of the dam body during the construction process of panel rockfill dam are better understood， which is of guiding significance to the actual project.

Keywords： ANSYS; panel rockfill dam; dam construction process; stress deformation

0 引言

随着我国水利建设的快速发展，面板堆石坝作为一种新型水利水电工程形式得到了广泛应用。面板堆石坝具有许多优点，例如结构简单、施工方便、容易进行维护和修复等，对于提高水资源的利用效率也非常有利［1］。同时，面板堆石坝还能够提供可靠的防洪保护、发电等功能，对于社会和经济的发展也产生了较大的推动作用。与传统的混凝土坝相比，面板堆石坝在设计和施工上更加灵活和方便，同时其建造成本也更低。因此，在水利重点工程、山区小水电站和城市供水等方面，广泛采用了面板堆石坝［2］。因此，了解面板堆石坝的筑坝过程对于加强水利工程的建设具有重要意义。

1 计算原理

1.1 面板堆石坝的本构模型

堆石体的本构模型选取岩土工程中广泛应用的邓肯张E-B模型进行计算［3］。其中，切线弹性模型见式（1），切线体积模量见式（2），泊松比见式（3），回弹模量见式（4）。

[Et=1−Rf（1−sinϕ）（σ1−σ3）2Ccosϕ+2σ3sinϕKPaσ3Pan] （1）

[B1=KbPaσ3Pam] （2）

[μt=3Bt−Et6Bt] （3）

[Eur=KurPaσ3Pan] （4）

以上式中：[Rf]为破坏比；[ϕ]为内摩擦角；[C]为黏聚力；[σ3]为侧限压力；[K]为弹性模量数；[Pa]为大气压力；[n]为弹性模量指数；[Kb]为体积模量数；[m]为体积模量指数；[Kur]为卸荷模量数。

同时，此模型考虑粗粒料内摩擦角[ϕ]随围压[σ3]的变化，具体见式（5）。

[ϕ=ϕ0−Δϕlgσ3Pa] （5）

面板与垫层之间接触面的本构关系采用Clough和Duncan提出的非线性弹性关系［4］，接触单元选用Goodman无厚度单元［5］对面板堆石坝进行数值模拟。

1.2 基于ANSYS的面板堆石坝筑坝过程模拟

为了更准确地模拟面板堆石坝的填筑过程，本研究采用逐层填筑的方式进行施工模拟。针对面板堆石坝一次性加载和分层逐级加载所产生的不同应力变形，利用APDL语言编写了计算程序，以实现面板堆石坝的施工模拟［6］。

本研究在进行面板堆石坝的施工填筑过程模拟时，主要利用了ANSYS中的生死单元功能［7］。按照实际坝体的施工顺序，首先激活地基的单元，表示只有地基存在且荷载为地基的自重，然后逐步激活各层结构的单元，代表施工逐渐进行到各个层次，荷载随之变化，直至完成整个填筑过程［8］。

2 实例计算

2.1 工程概况

云南省某大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程1 796.30 m，最大坝高142 m，坝顶长386.9 m，宽12.0 m，上游坝坡坡比为1∶1.4、下游平均坝坡比为1∶1.55，并在1 766.30 m、1 713.30 m高程处分别设3 m宽马道。面板顶部厚度为0.3 m，此后渐变至面板底部，底部最大厚度为0.8 m。水库正常蓄水位为1 790.00 m，死水位为1 752.00 m，设计洪水位为1 791.49 m，校核洪水位为1 793.91 m，混凝土面板堆石坝材料分区从上游至下游依次为混凝土面板、垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区。坝体概化分区如图1所示。

2.2 有限元模型及计算参数

本研究对云南省某面板堆石坝建立三维有限元模型，模型计算坐标系X轴为顺河向方向，Y轴为竖直坝轴线，Z轴为左右岸方向，采用六面体单元solid185对三维模型进行网格划分，整个模型划分了20 268个单元、4 627个节点。坝体有限元模型如图2所示，面板有限元模型如图3所示。为了模拟大坝实际施工情况，计算时对筑坝过程进行分级加载，本次计算参数由云南省某设计院提供，具体见表1和表2。

2.3 筑坝过程中坝体应力变形分析

由于面板堆石坝的施工过程是逐层填筑的，为了模拟大坝的实际填筑情况，在有限元模拟过程中，对坝体填筑过程进行分级加载，按照施工过程将大坝分为16级加载，1～9级、11～15级为堆石体施工加载，10级与16级为面板施工加载，17～24级为蓄水加载。采用邓肯张E-B模型进行计算，坝体每填筑一层，进行一次计算，并且对相应的应力变形计算结果进行分析。

2.3.1 筑坝过程中坝体变形分析。

①筑坝过程中坝体及最大断面顺河方向位移。以第13层为例，其X方向位移如图4所示。由图4可知，筑坝过程中坝体的X向位移主要发生在1/3坝高处两侧位置，上游坝坡处的堆石体向上游移动，下游坝坡处的堆石体向下游移动。随着筑坝高度的增加，两侧的位移逐渐增大，下游处的位移比上游处的位移稍大，在一期面板施加完毕后，并在面板的约束下，上游侧的位移略微减小，两侧变化规律基本一致。

分级加载过程中X方向位移变化如图5所示。由图5可知，上游方向的位移随着填筑层数的增加逐渐上升，并且随着填筑层数的增加，位移量上升的速度有所变缓，坝体填筑完成时位移变化量最大。坝体填筑完成后开始蓄水，在水压力的作用下，随着水位的上升，上游方向的位移开始逐渐减小，在校核洪水位时位移减小至最小。

下游方向的位移随着填筑层数的增加逐渐上升，并且坝体填筑完成开始蓄水时，随着水位的上升，下游方向的位移上升的速度大幅减缓，表明下游方向的位移受水压力的影响不大，在校核洪水位时位移上升至最大。

②筑坝过程中坝体及最大断面沉降位移。由图6可知，筑坝过程中，在自重荷载的作用下，在筑坝前期，坝体沉降主要发生在坝体底部。随着筑坝高度的增加，由于主堆石区与次堆石区材料物理性质的差异，坝体的沉降分布并非对称，而是在坝体的中部次堆石区域沉降相对较大，且沉降在坝体中部最大处呈环带状，由内至外逐渐减小，符合面板堆石坝的一般沉降规律。

分级加载中Y方向位移变化如图7所示。由图7可知，竖直方向的位移随着填筑层数的增加逐渐上升，并且随着填筑层数的增加上升速度逐渐减缓。在坝体填筑完成开始蓄水时，竖直方向的位移的变化幅度较小。这是因为坝体在填筑完成后，坝体只受自重影响，上部堆石体在竖直方向上对坝体下部施加重力作用，使其在水平方向产生明显位移，开始蓄水后坝体下部在水平方向的位移受到一定程度的约束，这种约束对坝体上部堆石由于重力作用产生的下降起到了反向减弱作用，且这种反向减弱作用力约等于或者大于水压竖直效应，进而减小了坝体的进一步下降。

2.3.2 筑坝过程中坝体应力分析。第10层坝体最大断面拉应力、压应力分布如图8、图9所示。

研究发现，筑坝过程中，在自重荷载作用下，整个坝体基本处于受压状态，只在两侧坝坡处出现了极少量拉应力。随着筑坝高度的增加，坝体压应力也逐渐增加，最大压应力出现在坝体底部，压应力分布呈现条带状，由内至外压应力逐渐减小。

分级加载过程中坝体应力变化如图10所示。由图10可知，坝体的拉应力与压应力随着填筑层数的增加而逐渐增大，符合坝体填筑的应力变化的一般规律，说明模拟面板堆石坝的填筑过程是合理的。在坝体填筑完成开始蓄水时，坝体的拉应力与压应力变化幅度不大。

3 结语

本研究基于ANSYS有限元软件对云南省某面板堆石坝的筑坝过程进行了模拟，通过对筑坝过程中坝体的应力变形进行分析，发现在筑坝过程中随着筑坝层数的增加，坝体的变形量逐步增加，但是在筑坝完成开始蓄水后坝体上游位移量在水压力的作用下逐渐减少。同时，坝体的拉压应力随着筑坝层数的增加而逐渐增加，在蓄水后应力变化较小。

参考文献：

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［4］谌大伟，李端有，张启灵，等.考虑结构分缝条件下堆石坝面板损伤的有限元分析［J］.水电与新能源，2022，36（8）：28-32.

［5］高宇航.基于ANSYS的土石坝分析模块二次开发［D］.厦门：厦门大学，2020.

［6］王硕，沈振中，徐力群，等.某抽水蓄能电站下水库混凝土面板坝防渗系统优选研究［J］.水电能源科学，2023，41（2）：90-94.

［7］刘京茂.堆石料和接触面弹塑性本构模型及其在面板堆石坝中的应用研究［D］.大连：大连理工大学，2015.

［8］程阳，张慧颖，王新华，等.基于ANSYS的优化邓肯—张模型计算程序模块开发及面板堆石坝应力变形分析［J］.水电能源科学，2023，41（6）：91-93，128.