基于ABAQUS的重力壩有限元靜力分析

1. 研究背景

重力壩是我國(guó)已建大壩中的主要壩型，在防洪、發(fā)電、灌溉、供水航運(yùn)、旅游等方面發(fā)揮了巨大的作用，同時(shí)也取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。眾所周知，重力壩主要依靠其自身的重力來(lái)維持壩體穩(wěn)定，其壩體體積非常大，穩(wěn)定性好。但復(fù)雜多變的運(yùn)行工況，以及壩基的斷層破碎帶等原因，也存在發(fā)生失穩(wěn)的概率。因此，重力壩的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)一直都是設(shè)計(jì)和施工中非常重視的問(wèn)題。本次主要以ABAQUS有限元軟件對(duì)某一重力壩不同蓄水位下的工況進(jìn)行分析，最后給出主要結(jié)論和建議。

2. 工程概況

某水電站以發(fā)電為主，兼具防洪、航運(yùn)等綜合效益的水電樞紐工程。該工程樞紐總體布置采用混凝土重力壩擋水，壩體上游中間位置設(shè)有折坡，下游坡比為1:0.7。壩頂寬12m，壩底寬58m。

工況設(shè)置

取上游水位為102m，下游水位為33.2m。

表1 計(jì)算工況設(shè)置

計(jì)算工況	上游水位/m	下游水位/m
1	102	33.2
2	97	30.2
3	92	27.2
4	87	24.2
5	82	21.2
6	77	18.2
7	72	15.2
8	67	12.2

3. 材料參數(shù)

為簡(jiǎn)化考慮，在模擬中考慮壩體與基巖之間存在一薄弱層。具體材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)

材料參數(shù)	彈性模量/GPa	泊松比	密度/kg/m3
壩體	28	0.17	2400
地基	26	0.25	1770
薄弱層	24	0.25	1770

4. 建立模型并賦予響應(yīng)材料屬性

建立好的壩體-地基幾何模型

分別壩體和地基的賦予材料屬性

5. 定義分析步

分3個(gè)計(jì)算分析步

考慮施工順序，第一步只計(jì)算基巖的地應(yīng)力平衡，即利用生死單元model change來(lái)殺死壩體部分的單元；

第2步，激活壩體部分的單元，施加重力加速度，進(jìn)行自重靜力分析；

第3步，施加荷載，包括上下游靜水壓力、淤砂壓力等。

6. 定義邊界條件

施加邊界條件

對(duì)于二維平面問(wèn)題，在模型左右兩側(cè)約束法向位移、底部約束所有邊界線的水平位移和豎直位移即可。

7. 劃分網(wǎng)格

劃分好的有限元網(wǎng)格

8 計(jì)算結(jié)果

（1） 不同水位與水平向位移關(guān)系

查看壩體局部的變形，并統(tǒng)計(jì)結(jié)果

工況1	工況2
工況3時(shí)的水平位移云圖	工況4時(shí)的水平位移云圖
工況5時(shí)的水平位移云圖	工況6時(shí)的水平位移云圖
工況7時(shí)的水平位移云圖	工況8時(shí)的水平位移云圖

不同工況水平向位移云圖結(jié)果

對(duì)比豎向位移變形和水平向位移變形可知，壩體的水平型位移變形有明顯的水平層狀分布，越靠近壩體頂部，其位移變形也就越大，越靠近壩底，發(fā)生的變形越小。這主要是由于壩體底部由于受到壩基的約束作用所引起的。

表3 不同水位工況下的水平向位移

計(jì)算工況	上游水位/m	下游水位/m	水平位移/m
1	102	33.2	0.01886
2	97	30.2	0.01588
3	92	27.2	0.01341
4	87	24.2	0.01137
5	82	21.2	0.00969
6	77	18.2	0.00625
7	72	15.2	0.00718
8	67	12.2	0.00625

圖1 不同水位工況下的水平向位結(jié)果曲線

可以看出，隨著庫(kù)水位深度的增加，壩體發(fā)生的水平向位移也逐漸增大。最大變形量為1.886cm，與水位最低的工況8相比，變形量擴(kuò)大了3.02倍?？梢?jiàn)不同水位對(duì)壩體的水平向變形具有顯著的影響

同理查看不同庫(kù)水深度下的豎向變形。

表4 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

計(jì)算工況	上游水位/m	下游水位/m	豎向位移/m
1	102	33.2	-0.00840
2	97	30.2	-0.00809
3	92	27.2	-0.00783
4	87	24.2	-0.00760
5	82	21.2	-0.00765
6	77	18.2	-0.00781
7	72	15.2	-0.00776
8	67	12.2	-0.00781

圖5 不同工況下的豎向位移變形結(jié)果曲線

從表4和圖5可以看出，隨著上游庫(kù)水位的降低，壩體的豎向變形逐漸變小。

（2）水位-應(yīng)力關(guān)系

工況1	工況2
工況3	工況4
工況5	工況6
工況7	工況8

壩體的最大主壓應(yīng)力云圖分布（Pa）

圖3 不同水位與主壓應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 不同水位與主壓應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從圖4可以看出，隨著庫(kù)水位深度的增加，壩踵位置處的主拉應(yīng)力數(shù)值也越大，這意味著該位置處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且存在開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

計(jì)算機(jī)配置