基于ANSYS的堆石混凝土重力坝强度及抗滑稳定分析

年一遇洪水设计，200 年一遇洪水校核。工程区建筑
物抗震设防烈度为 8 度。
2.2 坝基抗滑稳定分析方法
有限元法是计算重力坝抗滑稳定的基本方法，
在该方法中一般把坝体、坝基作平面应变问题分析，
计算时通常以一个坝段或者单宽作为计算单元。当
坝体沿坝基或层面滑动时，可沿接触面求出每个单
元的应力，即正应力 滓ni 和剪应力 子ni，则某一长段坝 基接触面上的抗滑力为(fi忆滓ni+ci)A i，滑动力为 子ni A i， 沿坝基面求代数和，即可得坝基面的抗滑稳定安全
满足抗滑稳定要求，但左挡水坝段 3 需要进一步考虑安全加固措施；整个坝体大部分区域处于压应力状态，在坝踵与
坝趾处均存在应力集中点，在坝趾处应力有最大值 3.82 MPa，且应力集中范围大于坝踵处；通过对比各工况坝内关键
点的正应力、剪应力和主应力大小，发现各工况下该堆石混凝土重力坝均能满足强度要求，且坝体位移在正常范围内。
关键词：堆石混凝土；坝体强度；抗滑稳定；坝体位移
中图分类号：TV642.3；TU457
文献标志码：A
文章编号：2095-0144（2018）07-0043-05
1 前言 堆石混凝土技术是基于自密实混凝土技术基
础上发展起来的一种新型混凝土施工技术[1]，该技 术利用自密实混凝土高流动、抗分离性能好的特 点，在大粒径块石或卵石堆积空隙中随机充填专用 自密实混凝土形成完整密实的混凝土堆石体。由于 具 有 水 泥 用 量 低 、密 实 度 高 、施 工 速 度 快 、造 价 低 廉、强度高、体积稳定性好、层间抗剪能力强、低水 化热、低碳环保、适应面广等优势[2]，近年来得到了 快速发展，并在水利、道路、港口和能源等工程领域 的大体积混凝土工程中得到了广泛应用，尤其是在 大坝的施工中[3]。已建成的堆石混凝土坝在河南、四 川、北京、山西、贵州、云南和福建等地区均有使用， 这使得堆石混凝土坝的施工工艺逐步得到完善，堆 石混凝土施工理论体系愈加成熟，施工质量保证率 进一步提高[4-5]。然而，堆石混凝土筑坝技术仍然处 于发展推广阶段，在高海拔严寒地区的推广应用还 需对其进行深入研究。
第 54 卷 第 7 期 2018 年 7 月
甘肃水利水电技术
GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY
Vol.54袁No.7 Jul.袁2018
DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2018.07.012
基于 ANSYS 的堆石混凝土重力坝强度及抗滑稳定分析
系数为：
n
移渊fi忆滓ni+ci冤A i
Ks= i=1 n 移子niA i i=1
式中：Ks— — —抗滑安全系数；
（1）
fi忆— ——单元抗滑摩擦系数； 滓ni— — —单元正应力； ci— ——单元抗滑凝聚力； 子ni— ——单元剪应力； A i— ——接触面上单元的面积； n— — —接触面的单元数。
坝体的强度和抗滑稳定性是重力坝在建设过 程中考虑的主要因素，通过现代技术和手段分析堆 石混凝土坝体的强度和应力变化等特征对坝体安 全稳定预估有着重要的作用。ANSYS 软件是大型通 用有限元分析软件，它功能强大，应用范围广，在坝
体稳定性建模与分析计算方面有广泛的应用和较高 的工作效率[6]。尤红兵[7]等采用 ANSYS 软件对土石坝 的应力和位移进行了分析。朱一飞[8]等通 过阐述 ANSYS 大型有限元分析软件的功能和分析过程，将 其应用于坝体位移、各种应力等值线、应变、破碎区 域等信息获取，为该软件在大坝稳定性分析方面应 用做了积极尝试。在堆石混凝土工程方面，高继阳、 范鹏飞[4-9]等分别探讨了坝体温度应力的仿真分析， 并提出了堆石混凝土施工中有关温度控制措施方面 的建议。但目前有关 ANSYS 对高寒地区堆石混凝土 坝强度和应力方面的计算在文献检索中还很鲜见[10]。 甘肃省天祝藏族自治县石门河水库堆石混凝土重力 坝应力和抗滑稳定性分析中利用 ANSYS 软件进行 计算，为堆石混凝土筑坝技术在高寒地区的应用推 广提供有力的理论支撑。 2 计算模型与方法 2.1 工程概况
石门河水库工程位于甘肃省武威市天祝藏族自 治县境内，位于金强河右岸支流石门河上，地理坐 标：东径 102°53′44″，北纬 36°59′03″，该地 区海拔最高 4 874 m，最低 2 050 m，属大陆性高原 气候。天祝县石门河调蓄引水工程由水库工程、引水 工程和牧草灌区三部分组成。水库枢纽挡水建筑物
1，长度 12.28 m，坝纵 0+012.28～0+030.28 段为左
坝段 2，长度 18.0 m，坝纵 0+030.28 ～0+049.28 段
为左坝段 3，长度 19.0 m，坝纵 0+088.28～0+103.20
段为 右坝 段 2， 长度 14.92 m，坝 纵 0+103.20 ～
ห้องสมุดไป่ตู้
0+122.43 段为右坝段 1，长度 19.23 m。大坝按 30
收稿日期：2018-05-21 作者简介：马鸿钰（1984-），男，甘肃民乐人，工程师，硕士，主要从事水利水电工程施工组织设计,E-mail：278721150@qq.com。
窑43窑
圆园18 年第 7 期
甘肃水利水电技术
第 54 卷
采用堆石混凝土重力坝，正常蓄水位 2 896.90 m，
设计洪水位 2 897.21 m，校核洪水位 2 898.97 m，
马鸿钰
(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)
摘要：坝体的强度和抗滑稳定性是重力坝在建设过程中考虑的主要因素，通过现代技术和方法分析堆石混凝土坝体的
强度和应力变化等特征对坝体安全稳定预估有着重要的作用。利用 ANSYS 软件对甘肃省天祝藏族自治县石门河水库
堆石混凝土重力坝应力和抗滑稳定性进行计算，得到以下结论：各工况下坝体混凝土层、坝体混凝土与基岩接触面均
坝顶高程 2 899.10 m，坝顶宽度取 8.0 m，最大坝高
48.55 m，坝顶长度 122.43 m。工程规模属小（1）型，
工程等别为Ⅳ等；工程主要建筑物为 4 级，次要建筑
物和临时性建筑物按 5 级建筑物设计。坝体分为挡
水坝段、中孔坝段和溢流坝段三部分，挡水坝段共分
为 5 段，其中坝纵 0+000.00～0+012.28 段为左坝段