2.5　水荷载对均质地基上拱坝位移数值分析

目前，拱坝三维有限元模型向上游截取范围较小，大部分的拱坝三维有限元模型向上游截取1倍或2倍坝高，如此建立的拱坝三维有限元模型，在施加相应的计算荷载进行分析时，难以合理反映地基水荷载作用使地基面转动所引起的位移。另外，作用在地基上的水荷载十分复杂，一般认为只有当水库骤然蓄水至某一高度时，此时引起的增量水荷载可作为地基水压力（面荷载）施加在地基表面。为此，以下结合溪洛渡特高拱坝，分析水荷载作用下大坝的变形。

2.5.1　有限元模型

分别建立以下两种模型，见图2.5.1和图2.5.2。模型一（或称小模型），向上下游、左右岸及地基深部各截取2倍坝高，共剖分19096个单元，其中坝体剖分6890个单元，地基剖分12206个单元；模型二（或称大模型），向上下游、左右岸及地基深部各截取5倍坝高，共剖分26830个单元，其中坝体剖分6890个单元，地基剖分19940个单元。

2.5.2　计算参数及边界条件

2.5.2.1　渗流计算参数及边界条件

假设坝体不透水，防渗帷幕渗透系数为岩基渗透系数的0.1倍。由于没有获得详细的地基排水孔信息，此次分析没有考虑排水孔效应。

上游给定水头600m，下游给定水头378m，上下游边界、左右岸山体边界及地基底部边界均取不透水边界。

2.5.2.2　变形应力计算参数及边界条件

假设混凝土坝体和基岩均为各向同性体材料。坝体混凝土弹性模量为24GPa，泊松比为0.17；地基变形模量为14GPa，泊松比为0.22。

计算域上下游施加顺河向连杆约束，左右岸施加横河向连杆约束，底部施加完全位移约束。

2.5.3　计算工况

本次分析，共计算了以下4组工况。

工况1：小模型，坝面作用水压力，地基表面作用水压力（面荷载）。

工况2：小模型，坝面作用水压力，地基作用渗流体荷载。

工况3：大模型，坝面作用水压力，地基表面作用水压力（面荷载）。

工况4：大模型，坝面作用水压力，地基作用渗流体荷载。

由于在下闸蓄水时，坝体和两岸山体的自重引起的变形基本已经完成，因此，上述4组工况均不考虑坝体和岩基自重荷载。

其中，当地基作用渗流体荷载时，需要事先计算稳定渗流场。对于两岸山体浸润面，本次分析采用死活单元技术，比较单元高斯点的水头H与高斯点的位置坐标z，如果单元所有的水头H均小于相应的位置坐标z，那么将该单元“杀死”（设置为虚区），对于部分高斯点在虚区、部分高斯点在实区的过渡单元，则通过折减在虚区高斯点的渗透系数来获得较精确的计算值，即对于过渡单元，采用Bathe提出的单元传导矩阵修正法：当高斯点水头H≥z时，K′＝K；当高斯点水头H＜z时，K′＝K/1000。

由于没有获得溪洛渡坝址的初始渗流场，无法获得增量浮力项，因此，在由节点水头计算地基渗流体荷载时，在垂直向没有考虑浮力项。

分析时，在拱坝坝基设置了0.1m厚的夹层单元，而分析时假设坝体不透水，因此，在施加地基渗流体荷载时，一并在坝基面施加了相应的扬压力。

2.5.4　计算结果及分析

大模型在坝体水压力＋地基水压力作用下变形计算结果见图2.5.3；大模型在坝体水压力＋地基渗流体荷载作用下变形计算结果见图2.5.4；不同工况下拱冠梁变形对比见图2.5.5。横河向位移以向左岸为正，顺河向位移以向上游为正，垂直向位移以上抬为正，反之为负。位移场单位为m。

（1）作用在地基上水荷载作为面荷载施加在地基表面或作为渗流体荷载施加在地基内部，两者计算变形差异较大。

（2）拱坝三维有限元模型向上游截取1倍或2倍坝高，如此建立的拱坝三维有限元模型，在施加相应的计算荷载进行分析时，难以合理反映地基水荷载作用使地基面转动所引起的位移。

（3）当在地基内部施加渗流体荷载时，从坝体垂直向位移来看，由于坝基扬压力较大，坝体有向上抬动的趋势，建议密切关注坝基防渗帷幕和排水孔的工作性态监测。

（4）进一步分析还可见，随着地基截取范围增大，坝体的变形仍将存在一定的差异，由此建议，当采用有限元模型计算值与实测变形进行对比时，对于水平向位移，宜将坝体位移监测点位移扣除倒垂线在岩基深处的锚固点位移，对于垂直向位移，宜将坝体监测点位移扣除水准基点或起测基点处的位移。

2.5.5　小结

（1）拱坝三维有限元模型向上游截取1倍或2倍坝高，如此建立的拱坝三维有限元模型，在施加相应的计算荷载进行分析时，难以合理反映地基水荷载作用使地基面转动所引起的位移。

（2）当采用有限元模型计算值与实测变形进行对比时，对于水平向位移，宜将坝体位移监测点位移扣除倒垂线在岩基深处的锚固点位移，对于垂直向位移，宜将坝体监测点位移扣除水准基点或起测基点处的位移。