奴尔水利枢纽沥青混凝土心墙坝二维有限元分析

2019-03-02 02:18胡小虎

广西水利水电 2019年1期

胡小虎

（水利部新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

1 工程概述

奴尔水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区和田地区策勒县境内的奴尔河上，是奴尔河上的控制性工程，是一座承担灌溉、发电综合利用任务的水利枢纽工程，工程等别为Ⅲ等工程，工程规模为中型。控制年径流量1.71亿m3，正常蓄水位2 497.00 m，相应库容0.64亿m3，死水位2 465.00 m，死库容0.19万m3，调节库容0.45万m3，电站总装机容量6.2 MW，多年平均年发电量0.217亿kW·h。

奴尔水利枢纽工程拦河坝是碾压式沥青心墙混凝土坝，沥坝顶高程2 500.00 m，坝顶宽度为10.0 m，最大坝高80 m，大坝长746 m。上游围堰与坝体结合，围堰顶高程2 450.00 m。上游坝坡为1∶2.25，下游坝坡布设两级“之”字型上坝公路，路面宽度为10.0 m，下游坝坡为1∶1.8，最大断面下游综合坡度约为1∶2.05。坝体分为上游砂砾料区、上游过渡料区、沥青混凝土心墙、下游过渡料区、下游砂砾料区。心墙布置型式确定采用直心墙，为碾压式沥青混凝土，心墙宽度为0.5～0.8 m[1]。大坝典型横剖面见图1。

图1 大坝典型剖面图

2 计算模型

2.1 模型简介

在沥青混凝土心墙土石坝非线性应力应变计算分析中，国内外较多采用邓肯-张E-μ模型来描述[2]。邓肯-张模型具有计算参数的物理意义明确、试验参数容易获得等特点，在工程实际中已经得到广泛的应用，计算应用经验丰富，成果易于比较。

在工程建设中，针对沥青混凝土心墙坝的有限元计算，常采用邓肯-张模型来描述。邓肯-张模型曲线呈双曲线，能较好地反映应力硬化型应力应变曲线，而该试验结果表明，碾压式沥青混凝土呈现出应力硬化形态，双曲线段范围大，因此，采用“邓肯-张”模型作为碾压式沥青混凝土心墙的计算模型，既比较符合碾压式沥青混凝土的力学特性，又便于计算分析和成果比较[2]。以下是邓肯-张E-μ模型的切线模量表达式为[3]：

其中破坏偏应力（σ1-σ3）f符合摩尔-库伦强度准则，有

Ei为初始切线模量，表达式为：

将式（2）、式（3）代入式（1）得

式中：Pa为大气压，取0.1 MPa；φ为内摩擦角；C为黏聚力；n为模量指数；K为切线模量系数；Rf为破坏比。

2.2 计算参数选取

计算中涉及的混凝土构件，采用线弹性模型进行计算。C20混凝土的弹性模量取25.5 GPa，泊松比取0.167。C30混凝土的弹性模量取30 GPa，泊松比取0.167。

筑坝计算参数根据工程地质报告选取（见表1）。

表1 计算参数表

3 几何建模

根据奴尔沥青混凝土心墙坝的坝址河床地质情况和大坝体型建立有限元模型，见图2。模型中模拟了坝体砂砾料、沥青混凝土心墙、过渡料、混凝土防渗墙、混凝土基座、河床砂砾石覆盖层、基岩等材料分区。模型考虑了大坝的施工过程，先进行坝基的地应力平衡，然后分两层填筑围堰，加载防渗墙和基座，最后分7步填筑大坝主体。计算工况为竣工期、正常运行期。

模型的地基两侧施加水平位移约束，底边界位移全约束。

图2 模型整体网格图

4 计算结果与分析

4.1 坝体应力应变

在竣工期，坝体竖向位移为0.43 m，为坝高的0.54%，位于坝体中下部。上、下游最大水平位移分别指向上、下游侧，其中上游最大水平位移为0.06 m，下游最大水平位移为0.08 m。坝体的最大、最小主应力沿坝体深度逐渐增加，坝体的最大、最小主应力均出现在坝体底部，最大主应力为1.2 MPa，最小主应力为0.5 MPa。

在正常运行期，坝体竖向位移为0.46 m，为坝高的0.58%，位于坝体中下部。由于水压力的作用，坝体向下游移动，其中上游最大水平位移为0.02 m，向下游移动了0.04 m；下游最大水平位移为0.22 m，向下游移动了0.14 m。坝体的最大、最小主应力均有所增大，最大主应力为1.4 MPa，最小主应力为0.6 MPa。