竇艷飛

基于ANSYS的漿砌石拱壩應(yīng)力分析

竇艷飛

拱壩壩體的穩(wěn)定主要依靠?jī)砂豆岸说姆戳ψ饔?，這是拱壩區(qū)別于重力壩、土石壩的一個(gè)顯著特點(diǎn)。拱壩是一個(gè)空間彈性殼體，其幾何形狀和邊界條件都很復(fù)雜，難以用嚴(yán)格的理論計(jì)算求解拱壩壩體應(yīng)力狀態(tài)。在拱壩應(yīng)力分析中，幾種常用的方法有純拱法、拱梁分載法及其簡(jiǎn)化形式拱冠梁法、有限元法和殼體理論基礎(chǔ)計(jì)算方法。相比于其他方法，三維有限元法計(jì)算理論更嚴(yán)密，且具有可考慮各種復(fù)雜的邊界條件、荷載組合的優(yōu)點(diǎn)，因此隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維有限元法已被廣泛應(yīng)用于拱壩應(yīng)力分析中。本文通過(guò)漿砌石拱壩工程實(shí)例，計(jì)算分析了拱壩在多種荷載組合工況下的壩體應(yīng)力及變形，分析應(yīng)力對(duì)大壩穩(wěn)定的影響，體現(xiàn)了ANSYS在小型拱壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)中的實(shí)用性。

一、工程概況

某水電站屬淮河流域，壩址以上來(lái)水面積77.5km2，裝機(jī)1×630kW臺(tái)，額定水頭14m，額定流量3.6m3/s。根據(jù)最新的地形資料，水電站為混合式水電站，電站裝機(jī)容量1×630kW，屬V等工程。主要建筑物：攔河壩為5級(jí)建筑物，發(fā)電輸水建筑物、發(fā)電廠房亦為5級(jí)建筑物。攔河壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，發(fā)電輸水隧洞進(jìn)水口設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)與攔河壩一致；發(fā)電廠房工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。電站上游流域面積77.5km2。河源河床高程為590m，河口河床高程約120m，河道總長(zhǎng)度56km。流域內(nèi)山巒起伏，山嶺縱橫、溪流交錯(cuò)，其間分布有大小不等的梯傍沖畈，是個(gè)山高、坡陡、溝深、地少的典型山區(qū)，電站上游及附近森林植被覆蓋率達(dá)90%以上。

二、漿砌石拱壩應(yīng)力分析

圖1　拱壩有限元模型圖

圖2　正常蓄水位主應(yīng)力圖（Pa）　

圖3　設(shè)計(jì)洪水位主應(yīng)力圖（Pa）

圖4　校核洪水位應(yīng)力圖（Pa）

1.計(jì)算模型

在有限元計(jì)算中，在壩基底部施加三向約束，壩基上、下游邊界面施加相應(yīng)的法向鏈桿約束，壩基左右側(cè)亦施加相應(yīng)的法向鏈桿約束，橫河流方向?yàn)閤方向以指向右岸為正，順河向?yàn)閥方向以指向下游為正，豎直方向?yàn)閦方向以豎直向上為正，模型單元?jiǎng)澐植捎?節(jié)點(diǎn)四面體單元，模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)116547個(gè)，單元總數(shù)79202個(gè)，有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

2.計(jì)算荷載

該拱壩正常蓄水位：308.50m；設(shè)計(jì)水位311.98m，庫(kù)容20.76萬(wàn)m3；校核水位313.79m，庫(kù)容30.94萬(wàn)m3；該區(qū)域年平均氣溫15.5℃，多年平均氣溫隨海拔高程增加而逐減，變化幅度在15.2℃～16.8℃之間。多年平均日照時(shí)數(shù)為2033h，日照率為47%，無(wú)霜期180～220d。由此電站地址報(bào)告，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97）可不進(jìn)行抗震復(fù)核。

影響拱壩壩體應(yīng)力的主要荷載有：自重、溫度、地基揚(yáng)壓力、泥沙壓力、溫度、地震荷載等，根據(jù)《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合本工程情況，選擇以下三種工況計(jì)算荷載組合：（1）正常蓄水位下凈水壓力+自重+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+設(shè)計(jì)正常溫降；（2）設(shè)計(jì)洪水位下凈水壓力+自重+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+設(shè)計(jì)正常溫升；（2）校核洪水位下凈水壓力+自重+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+設(shè)計(jì)正常溫升。

3.計(jì)算結(jié)果

參照《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5346-2006）6.3.2規(guī)定，用有限元法計(jì)算時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充計(jì)算“有限元等效應(yīng)力”。按“有限元等效應(yīng)力”求得的壩體主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力，應(yīng)符合下列應(yīng)力控制指標(biāo)的規(guī)定：

（1）容許壓應(yīng)力?；炷恋娜菰S壓應(yīng)力等于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度除以安全系數(shù)。對(duì)于基本荷載組合，1、2級(jí)拱壩的安全系數(shù)采用4.0，3級(jí)拱壩的安全系數(shù)采用3.5；對(duì)于非地震情況特殊荷載組合，1、2級(jí)拱壩的安全系數(shù)采用3.5，3級(jí)拱壩的安全系數(shù)采用3.0.

（2）容許拉應(yīng)力。對(duì)于基本荷載組合，拉應(yīng)力不得大于1.5MPa；對(duì)于非地震情況特殊荷載組合，拉應(yīng)力不得大于2.0MPa。超過(guò)上述指標(biāo)時(shí)，應(yīng)調(diào)整壩的體形減少壩體拉應(yīng)力的作用范圍和數(shù)值。

拱壩模型及各工況第一主應(yīng)力分析圖見(jiàn)圖2～圖4。

經(jīng)計(jì)算，大壩基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

參照《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5346-2006）的要求，用有限元法計(jì)算壩體應(yīng)力時(shí)應(yīng)補(bǔ)充有限元等效應(yīng)力計(jì)算。等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1　拱壩壩基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

表2　拱壩壩基底等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

三、結(jié)論

（1）從計(jì)算結(jié)果可以看出，在不考慮地震荷載作用的情況下，根據(jù)等效應(yīng)力變換以后的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)得出的主應(yīng)力值均小于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，拱壩壩體順河向位移均指向下游，位移等值線基本對(duì)稱，應(yīng)力滿足規(guī)范要求，拱壩設(shè)計(jì)方案合理，應(yīng)力安全符合標(biāo)準(zhǔn)。

（2）有限元法計(jì)算拱壩應(yīng)力較拱梁分載法不僅可以考慮拱壩與地基的整體作用效應(yīng)，而且能進(jìn)行各種復(fù)雜條件下的應(yīng)力分析，本文基于ANSYS實(shí)現(xiàn)了拱壩的參數(shù)化建模及應(yīng)力分析，通過(guò)對(duì)拱壩的工程實(shí)例分析，也驗(yàn)證了該方法的有效及簡(jiǎn)單實(shí)用

（作者單位：安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院230088）