丙果河水库沥青混凝土心墙风化料坝应力分析

【摘 要】丙果河水库碾压式沥青混凝土心墙风化料坝主要根据天然建筑材料的特性进行分区设计，用非线性有限元对大坝应力进行分析计算。

【关键词】沥青混凝土心墙风化料坝；有限元法；应力分析；丙果河水库

1 工程概况

水库设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇，消能防冲设计洪水标准为20年一遇；渠系工程跨河建筑物设计洪水标准为10年一遇。

2 大坝应力分析

2.1 计算依据及计算成果：沥青混凝土心墙风化料坝采用非线性有限元法进行分析。

2.1.1 计算原理及方法

按位移求解时，非线性有限元法的基本平衡方程式是

程序中设置了线弹性模型、非线性弹性模型（邓肯C张 模型和邓肯C张 模型）、接触面模型和接缝模型。非线性弹性模型是应力、应变关系为一条曲线，即弹性模量与泊松比是随着应力变化的。

对于不同的坝体填筑材料，其应力应变特性是不同的，须采用不同的本构模型。

（1）坝壳料（风化料、砂岩排水体等）及沥青砼心墙

根据已建成的沥青心墙坝经验，沥青混凝土心墙甚薄，在整个坝体断面中所占比例较小，对坝的变形和应力应变影响较小，心墙和坝壳料一同采用非线性双曲线模型是比较合理、简便、接近实际的。故坝体（风化料、砂岩排水体、沥青心墙等）采用非线性弹性模型，常用邓肯C张模型，主要计算公式如下。

2.2.2 有限元模型

计算坐标系规定为：X轴为顺河方向，由上游指向下游，取坝轴线为X轴零点； Y轴为垂直向，指向上方，与高程一致。在进行结构分析时，以基岩面作为刚性边界，上游边界截至坝轴线上游约144m，下游边界截至坝轴线下游约159m；该计算模型沿顺河流方向（X方向）长约303m，厚度方向（Y方向）约100m。模型模拟了坝体的几何形状及其各材料分区。

2.2.3 本构模型

坝体风化料、砂岩排水体、过渡料等各料区土料的本构模型采用邓肯C张（ECμ）模型。

2.2.4 计算成果

计算分析整理了坝体最大横剖面的计算结果。顺河向水平位移以指向下游为正，垂直位移以向上为正，单位是mm。应力以

压应力为正，以拉应力为负，单位是kPa。竣工期是指坝体填筑全部完成，但尚未蓄水；蓄水期是指坝体填筑全部完成，且上游水位达到正常蓄水位1158.9m，应力分析成果见表1。

3 成果分析

3.1 坝壳结果分析

坝体最大位移发生在心墙下游坝壳内。竣工期，坝体的最大垂直位移为598.5mm，约占最大坝高的0.899%；顺河向指向上游的最大水平位移为-89mm，指向下游的最大水平位移为123mm。蓄水期，坝体的最大垂直位移为558.6mm，约占最大坝高的0.84%；顺河向指向下游的最大水平位移为167mm。

从坝体最大横剖面的位移来看，竣工期，由于上、下游坝壳的填筑料材料及体积不同，其相应的力学参数差别较显著，致使下游坝壳的顺河向水平位移略大于上游坝壳的顺河向水平位移。蓄水期，在水压力的作用下，坝体向下游位移有所增加，顺河向水平位移稍有增大。

3.2 沥青混凝土心墙结果分析

沥青混凝土心墙是一种薄壁柔性结构，本身的变形主要取决于心墙在坝体中所受的约束条件，总是随坝体一起变形，对坝体变形影响较小，但对心墙两侧坝体应力分布有较大影响。

参考文献：

[3]新疆下坂地水利枢纽工程系列丛书《沥青混凝土心墙设计与施工》.