鄒 爽

（貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽 550003）

拱壩縱向縫（平行于壩軸線）面上的應(yīng)力研究

鄒 爽

（貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽 550003）

對于除險(xiǎn)加固工程，拱壩需要進(jìn)行加厚處理時(shí)，就產(chǎn)生了一條縱縫（即新老壩體交界面），傳統(tǒng)的計(jì)算方法沒法考慮這一縱縫。結(jié)合某一實(shí)際病險(xiǎn)水庫工程，用三維有限元法（ANSYS）計(jì)算了壩體加厚后縱縫上的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而確定具體的新老壩體接縫上的除險(xiǎn)加固方案。

應(yīng)力分布；有限單元法；拱壩；加厚

拱壩因壩體較薄，一般只設(shè)橫縫，不設(shè)縱向縫，只有當(dāng)壩體厚度超過40 m才考慮設(shè)縱縫，所以對于新修壩體一般都沒有縱縫。但是，對于除險(xiǎn)加固工程，因原來的壩體較單薄，需加厚，這時(shí)就產(chǎn)生了一條縱縫（平行于壩軸線）。目前常用的拱壩計(jì)算方法（拱梁分載法[1～2]），不能考慮到這條縫，也沒法計(jì)算出這條縫上的應(yīng)力分布情況。采用三維有限元法，可以計(jì)算出縱向縫面上的應(yīng)力分布情況。進(jìn)而可以根據(jù)縫上的應(yīng)力分布情況確定具體的新老壩體接縫上的除險(xiǎn)加固方案。

1 工程概況

某病險(xiǎn)水庫大壩，為漿砌石拱壩，最大壩高27.5 m，原壩體壩頂厚度為2.0 m，壩底厚度為4.0 m。因壩體應(yīng)力穩(wěn)定均不滿足規(guī)范要求，需對壩體進(jìn)行加固處理。采取了上游面加厚方案，壩頂加到3.0 m，壩底加2.5 m，即壩底厚度變?yōu)?.5 m，加厚部分的材料均用混凝土。

2 模型的建立

壩體加厚部分要單獨(dú)建體，輸入和壩體不同的材料特性參數(shù)（如彈模、線膨脹系數(shù)和泊松比）。加厚部分全部用混凝土材料。在拱壩的計(jì)算中，要加上基巖部分，從建基面向前后左右及向下各取40 m高（約1.5倍壩高）。

整個(gè)計(jì)算模型共31 056個(gè)單元，36 666個(gè)節(jié)點(diǎn)；原壩體單元共4 320個(gè)，節(jié)點(diǎn)6 076個(gè)；加厚部分單元共2 880個(gè)，節(jié)點(diǎn)8 835個(gè)；基礎(chǔ)共23 856個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)21 755個(gè)。

拱壩三維網(wǎng)格劃分圖見圖1。

圖1 拱壩三維網(wǎng)格圖

3 計(jì)算成果及分析

3.1 計(jì)算條件

計(jì)算了正常蓄水位情況和校核洪水位兩種工況，結(jié)果顯示正常水位情況是控制性的，因此本文只敘述正常蓄水位情況的計(jì)算結(jié)果。

正常蓄水位情況：水壓力、泥沙壓力、壩體自重、溫降。

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析

壩體及縱縫上的最大應(yīng)力值見表1。

從表1的計(jì)算結(jié)果可看出，加厚后，壩體最大拉應(yīng)力較大，為2.56 MPa，出現(xiàn)在拱冠梁底上游面；縱縫上（新老壩體交界面上），新壩體出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)。力數(shù)值為2.00 MPa，原壩體最大拉應(yīng)力較小，僅為0.61 MPa，新老壩體出現(xiàn)最大拉應(yīng)力的位置相同，都位于左拱端壩頂處；壩體壓應(yīng)力均較小，最大值僅為-2.29 MPa，出現(xiàn)在拱冠梁底下游面，縱縫上，原壩體的最大壓應(yīng)力為-0.74 MPa，新壩體上的最大壓應(yīng)力為-1.18 MPa。從圖2縱縫上的應(yīng)力分布圖可看出，縫面上第一主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且新壩體上的拉應(yīng)力還較大，最大值為2.00 MPa，位于左拱端壩頂，兩壩肩的拉應(yīng)力也較大，最小值也有0.7 MPa。所以，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中需先計(jì)算出縫面上的應(yīng)力分布情況才可以給出具體的加固設(shè)計(jì)方案。

有了縫面上的應(yīng)力分布圖，實(shí)際設(shè)計(jì)中就可以根據(jù)縫面上的應(yīng)力大小進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

（說明：以上的應(yīng)力結(jié)果有超出規(guī)范值的，屬于有限元法的應(yīng)力集中現(xiàn)象，用有限元等效應(yīng)力法[3]計(jì)算后應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求。）

圖2 縱縫上的應(yīng)力分布圖

表1 大壩應(yīng)力表 MPa

4 結(jié)論

（1）本文采用有限單元法（ANSYS）[4]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出加厚后的壩體應(yīng)力及縱縫上的應(yīng)力分布情況；

（2）從輸出的結(jié)果圖中可清晰地反映出壩體應(yīng)力及縱縫上的應(yīng)力分布情況，從計(jì)算結(jié)果來看，縱縫上的的拉應(yīng)力較大，第一主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且新壩體上出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力；

（3）在進(jìn)行拱壩加厚時(shí)，應(yīng)該先計(jì)算出縫面上的應(yīng)力分布，進(jìn)而可以根據(jù)縫上的應(yīng)力分布情況確定具體的新老壩體接縫上的除險(xiǎn)加固方案。

[1] SL25-2006，砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SL282-2003，混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 朱伯芳.拱壩的有限元等效應(yīng)力及復(fù)雜應(yīng)力下的強(qiáng)度儲(chǔ)備[J].水利水電技術(shù)，2005（1）:43-47.

[4] 宋 勇，艾宴清，梁 波，等.精通ANSYS7.0有限元分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Study of stress along longitudinal seam of arch dam ZOU Shuang

（College of Civil Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China）

When a arch dam is reinforced by thickening,a longitudinal seam parallel to dam axis forms between the old dam body and new dam body.It is impossible to take into account this longitudinal seam by traditional calcula?tion method.Combined with the calculation for a real reservoir reinforcement project with thickening of dam body,the author presented the calculation of stress distribution along this longitudinal seam that was conducted by finite element method（ANSYS）,based on which the consolidation scheme for this seam can be designed.

Stress distribution;finite element method;arch dam;thickening

TV642.4

B

1003-1510（2016）01-0029-02

2015-12-21

鄒 爽（1975－），女，貴州盤縣人，貴州大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，碩士，從事水工結(jié)構(gòu)研究。