基于数值模拟的抽水蓄能电站沥青混凝土防渗面板应力应变研究

一、引言

1.1 研究背景

随着全球能源结构的转型和对清洁能源需求的不断增长，抽水蓄能电站凭借其高效的电能存储与调节能力，在电力系统中发挥着愈发重要的作用。沥青混凝土防渗面板作为抽水蓄能电站上水库的关键防渗结构，具有良好的柔韧性、防渗性和适应变形能力，能够有效防止库水渗漏，保障电站的正常运行。然而，在实际运行过程中，沥青混凝土防渗面板会受到温度变化、水位波动、地基变形等多种因素的影响，导致面板产生复杂的应力应变状态。若应力应变过大，可能引发面板开裂、渗漏等问题，严重威胁电站的安全。因此，深入研究沥青混凝土防渗面板的应力应变特性具有重要的现实意义。

1.2 研究意义

通过数值模拟研究抽水蓄能电站沥青混凝土防渗面板的应力应变，能够在设计阶段预测面板在不同工况下的受力情况，为面板的材料选择、结构设计提供参考，优化设计方案，降低工程成本。在施工过程中，依据模拟结果可以合理安排施工工艺和施工顺序，确保面板的施工质量。在电站运行阶段，模拟分析有助于及时发现潜在的安全隐患，制定科学的维护措施，延长面板的使用寿命，保障抽水蓄能电站的安全稳定运行，对于推动清洁能源发展和提高电力系统稳定性具有重要意义。

1.3 国内外研究现状

国外在沥青混凝土防渗面板的研究方面起步较早，开展了大量的理论分析、试验研究和数值模拟工作。例如，美国、日本等国家通过室内试验和现场监测，对沥青混凝土的材料性能、力学特性进行了深入研究，并建立了相应的数值计算模型。在数值模拟方法上，有限元法、离散元法等得到了广泛应用，能够较为准确地模拟沥青混凝土防渗面板的应力应变过程。

国内对抽水蓄能电站沥青混凝土防渗面板的研究也取得了一定成果。众多学者在材料性能研究、数值模拟方法改进以及工程应用等方面进行了积极探索。但目前的研究仍存在一些不足之处，如对复杂工况下沥青混凝土防渗面板应力应变的耦合作用研究不够深入，数值模拟结果与实际工程的吻合度有待提高等。因此，进一步加强相关研究具有重要的理论和实践价值。

二、数值模拟方法

2.1 数值模拟软件选择

目前，用于岩土工程数值模拟的软件众多，本研究选用 ANSYS 软件进行抽水蓄能电站沥青混凝土防渗面板的应力应变分析。ANSYS 软件具有强大的建模、分析和后处理功能，能够对复杂的结构和材料进行精确模拟。在岩土工程领域，ANSYS 软件已被广泛应用于边坡稳定分析、地基沉降计算等方面，其计算结果具有较高的可靠性和准确性。

2.2 模型建立

2.2.1 几何模型

根据抽水蓄能电站上水库的实际工程尺寸，建立沥青混凝土防渗面板的三维几何模型。模型包括上水库库盆、沥青混凝土防渗面板、垫层、过渡层以及地基等部分。考虑到计算精度和计算效率的平衡，对模型进行合理简化，忽略一些对计算结果影响较小的细节结构。

2.2.2 材料参数确定

沥青混凝土防渗面板的材料性能对其应力应变特性有着重要影响。通过室内试验，获取沥青混凝土的弹性模量、泊松比、密度等基本力学参数。同时，考虑到沥青混凝土的粘弹性特性，采用流变模型来描述其在不同应力和温度条件下的力学行为。对于垫层、过渡层和地基材料，根据工程地质勘察报告和相关规范，确定其相应的材料参数。

2.2.3 边界条件与荷载施加

边界条件的设置直接影响数值模拟结果的准确性。在模型底部，施加固定约束，限制其在三个方向的位移；在模型侧面，约束其水平方向的位移。荷载主要

包括面板自重、库水压力、温度荷载等。库水压力根据不同的水位工况进行施加，温度荷载考虑当地的气温变化范围，通过施加温度梯度来模拟温度对面板的影响。

2.3 数值计算方法

本研究采用有限元方法进行数值计算。将建立的几何模型划分为有限个单元，通过求解单元的平衡方程，得到整个模型的应力应变分布。在计算过程中，采用增量迭代法求解非线性方程，确保计算结果的收敛性和准确性。同时，为了提高计算效率，对模型进行网格优化，在应力应变变化较大的区域，如面板与垫层的交界处、面板的边缘部位等，加密网格；在应力应变变化较小的区域，适当增大网格尺寸。

三、应力应变分析

3.1 正常蓄水位工况下的应力应变分析

在正常蓄水位工况下，对沥青混凝土防渗面板的应力应变进行模拟分析。结果表明，面板在库水压力作用下，沿面板厚度方向的应力分布呈现出明显的分层现象。面板表面主要承受压应力，且压应力值随着深度的增加逐渐减小；在面板与垫层的交界处，由于应力集中作用，压应力值较大。从应变分布来看，面板表面的应变相对较小，随着深度的增加，应变逐渐增大，在面板底部达到最大值。通过分析应力应变分布规律，发现面板的薄弱部位主要集中在边缘和与垫层的交界处，这些部位在实际工程中需要加强结构设计和施工质量控制。

3.2 水位骤降工况下的应力应变分析

水位骤降是抽水蓄能电站运行过程中常见的工况之一，对沥青混凝土防渗面板的受力性能影响较大。模拟水位骤降工况下的应力应变情况，结果显示，在水位骤降瞬间，面板内部产生较大的拉应力，尤其是在面板的顶部和边缘部位。这是由于水位骤降导致面板内外压力不平衡，面板受到向外的拉力作用。同时，应变分布也发生了明显变化，面板顶部和边缘的应变值急剧增大，可能导致面板出现开裂现象。因此，在设计和运行过程中，需要采取相应的措施，如设置排水设施、加强面板的抗裂性能等，以应对水位骤降带来的不利影响。

3.3 温度变化工况下的应力应变分析

温度变化会引起沥青混凝土防渗面板的热胀冷缩，从而产生温度应力。模拟不同温度变化幅度下的应力应变情况，结果表明，温度升高时，面板内部产生压应力；温度降低时，面板内部产生拉应力。当温度变化幅度较大时，拉应力值可能超过沥青混凝土的抗拉强度，导致面板开裂。此外，温度应力的分布还与面板的结构形式、材料性能以及边界条件等因素有关。通过分析温度变化工况下的应力应变特性，为面板的温控设计提供了依据，如采用保温隔热材料、合理设置伸缩缝等，以减小温度应力对面板的影响。

3.4 多工况耦合作用下的应力应变分析

在实际工程中，抽水蓄能电站沥青混凝土防渗面板往往受到多种工况的耦合作用，如水位波动与温度变化同时发生。模拟多工况耦合作用下的应力应变情况，结果显示，多工况耦合作用下，面板的应力应变状态更加复杂，应力集中现象更为明显。与单一工况相比，多工况耦合作用下的面板最大应力和最大应变值均有显著增加，面板的破坏风险也相应增大。因此，在设计和运行过程中，需要充分考虑多工况耦合作用的影响，采用更加合理的设计方案和运行管理措施，确保面板的安全稳定。

参考文献

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