基于ABAQUS的重力坝有限元静力分析

基于ABAQUS的重力坝有限元静力分析

1. 研究背景

重力坝是我国已建大坝中的主要坝型，在防洪、发电、灌溉、供水航运、旅游等方面发挥了巨大的作用，同时也取得了显著的经济和社会效益。众所周知，重力坝主要依靠其自身的重力来维持坝体稳定，其坝体体积非常大，稳定性好。但复杂多变的运行工况，以及坝基的断层破碎带等原因，也存在发生失稳的概率。因此，重力坝的应力应变状态一直都是设计和施工中非常重视的问题。本次主要以ABAQUS有限元软件对某一重力坝不同蓄水位下的工况进行分析，最后给出主要结论和建议。

2. 工程概况

某水电站以发电为主，兼具防洪、航运等综合效益的水电枢纽工程。该工程枢纽总体布置采用混凝土重力坝挡水，坝体上游中间位置设有折坡，下游坡比为1:0.7。坝顶宽12m，坝底宽58m。

工况设置

取上游水位为102m，下游水位为33.2m。

表1 计算工况设置

计算工况	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. 材料参数

为简化考虑，在模拟中考虑坝体与基岩之间存在一薄弱层。具体材料参数如表2所示。

表2 材料参数

材料参数	弹性模量/GPa	泊松比	密度/kg/m3
坝体	28	0.17	2400
地基	26	0.25	1770
薄弱层	24	0.25	1770

4. 建立模型并赋予响应材料属性

建立好的坝体-地基几何模型

分别坝体和地基的赋予材料属性

5. 定义分析步

分3个计算分析步

考虑施工顺序，第一步只计算基岩的地应力平衡，即利用生死单元model change来杀死坝体部分的单元；

第2步，激活坝体部分的单元，施加重力加速度，进行自重静力分析；

第3步，施加荷载，包括上下游静水压力、淤砂压力等。

6. 定义边界条件

施加边界条件

对于二维平面问题，在模型左右两侧约束法向位移、底部约束所有边界线的水平位移和竖直位移即可。

7. 划分网格

划分好的有限元网格

8 计算结果

（1） 不同水位与水平向位移关系

查看坝体局部的变形，并统计结果

工况1	工况2
工况3时的水平位移云图	工况4时的水平位移云图
工况5时的水平位移云图	工况6时的水平位移云图
工况7时的水平位移云图	工况8时的水平位移云图

不同工况水平向位移云图结果

对比竖向位移变形和水平向位移变形可知，坝体的水平型位移变形有明显的水平层状分布，越靠近坝体顶部，其位移变形也就越大，越靠近坝底，发生的变形越小。这主要是由于坝体底部由于受到坝基的约束作用所引起的。

表3 不同水位工况下的水平向位移

计算工况	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

图1 不同水位工况下的水平向位结果曲线

可以看出，随着库水位深度的增加，坝体发生的水平向位移也逐渐增大。最大变形量为1.886cm，与水位最低的工况8相比，变形量扩大了3.02倍。可见不同水位对坝体的水平向变形具有显著的影响

同理查看不同库水深度下的竖向变形。

表4 计算结果统计

计算工况	上游水位/m	下游水位/m	竖向位移/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

图5 不同工况下的竖向位移变形结果曲线

从表4和图5可以看出，随着上游库水位的降低，坝体的竖向变形逐渐变小。

（2）水位-应力关系

工况1	工况2
工况3	工况4
工况5	工况6
工况7	工况8

坝体的最大主压应力云图分布（Pa）

图3 不同水位与主压应力结果统计

图4 不同水位与主压应力结果统计

从图4可以看出，随着库水位深度的增加，坝踵位置处的主拉应力数值也越大，这意味着该位置处存在明显的应力集中现象，且存在开裂的风险。

计算机配置