张宇1，周波2，唐德秀2
1.四川大学工程设计研究院有限公司，四川 成都 610065； 2.四川蜀禹水利水电工程设计有限公司，四川 成都 610072
摘要：结合四川某重力坝坝址区地形地质条件，对其溢流坝段进行有限元建模，进行以下分析：（1）材料参数的选取；（2）计算工况及荷载组合。
关键字：有限元；计算工况；荷载组合；重力坝溢流坝段
1 工程概况
重力坝是由砼或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。
该工程位于德跃镇—古蔺县城间古蔺河上，是以防洪和县城应急供水为主，兼顾生态环境供水的混凝土重力坝。坝顶高程650.00m，最大坝高56.00 m，水库正常蓄水位647.50 m，设计洪水位645.56 m，死水位639.50 m。
该碾压砼重力坝位于弱风化基岩上，基岩体为侏罗系中统上沙溪庙组（J2S2）地层之泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂岩，局部夹泥质粉砂岩和砂岩薄层或透镜体，但基岩岩性软弱，强度较低，可能存在地基承载能力问题；碾压砼重力坝溢流坝段闸室采用弧形钢闸门挡水，闸门支绞牛腿及相邻闸墩部位的受力较复杂；灌浆廊道局部应力情况复杂等问题。因此重力坝底板、灌浆廊道、闸墩、牛腿的受力配筋能否满足运行要求，对工程的安全性具有重要的意义，有必要对重力坝溢流坝段闸室结构、灌浆廊道的安全性进行相应的计算。固针对工程区域的地形地貌和闸室的结构参数，建立三维有限元计算模型。
2 计算模型与方法
结合工程溢流坝段的设计资料（地层岩性、地质构造、基岩岩体力学参数、地基处理方案、灌浆廊道结构型式、荷载组合等），分析工程区域的地质环境和基岩工程特性，对地质原型进行合理概化，为计算模型的建立提供依据。
2.1 有限元模型
本次重力坝溢流坝段三维有限元计算选取重力坝、闸室结构和较大范围基岩岩体作为整体研究对象，其中计算模型铅直向底部取至437.50m高程，重力坝以下基岩厚度取124m；沿溢流坝轴线方向取3孔闸室（1#~3#闸），模型横河向宽度为25m，沿水流方向上游边界取至坝踵沿向上游延伸120m；下游边界取至坝趾向下游延伸114m。采用8节点等参单元对坝体及坝基进行离散，单元总数共44290个，节点总数47590个，大坝坝体及坝基的有限元网格模型见图1和图2。
有限元计算坐标系选定为：X轴：顺水流方向（指向下游为正）；Y轴：垂直水流方向（指向左岸为正）；Z轴：与X和Y垂直，且Z=X×Y，铅直向上。
图2 重力坝溢流坝枢纽结构有限元网格
2.2 计算参数
碾压混凝土重力坝的静力有限元计算方法采用有效应力法。计算中，混凝土认为是弹性材料，基岩也认为是弹性材料，具体参数见表1。
表1 静力计算参数表
2.3计算工况及荷载组合
重力坝溢流坝段结构三维有限元计算时，主要考虑完建工况、正常挡水工况、设计洪水位挡水工况、校核洪水位挡水外。各工况的荷载组合如下：
（1）完建工况：闸室结构自重；
（2）正常挡水工况（正常蓄水位647.50m）：闸室全部正常挡水，考虑重力坝及闸室结构自重、闸门前边墩、重力坝及底板上表面水压力、牛腿上作用的弧形闸门水推力、重力坝底板上的扬压力；
（3）设计洪水位挡水工况（设计蓄水位645.56m）：闸室全部挡水，考虑重力坝及闸室结构自重、闸门前边墩、重力坝及底板上表面水压力、牛腿上作用的弧形闸门水推力、重力坝底板上的扬压力；
（4）校核洪水位挡水工况（校核蓄水位648.53m）：闸室全部挡水，考虑重力坝及闸室结构自重、闸门前边墩、重力坝及底板上表面水压力、牛腿上作用的弧形闸门水推力、重力坝底板上的扬压力。
其中设计洪水位和校核洪水位两种工况下采用最危险情况的闸门全部挡水作为参考。
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