龍王塘水庫大壩預(yù)應(yīng)力錨固工程數(shù)值模擬研究

徐雪飛 ，許勁松 ，趙 鵬 ，遲 穎

（1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水工結(jié)構(gòu)教研室，遼寧大連110624；2.大連市水利建筑設(shè)計(jì)院，遼寧大連116001）

預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)最大特點(diǎn)是盡可能少地?cái)_動(dòng)被錨固體，是最為高效和經(jīng)濟(jì)的加固技術(shù)。世界上第一例采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固的工程是阿爾及利亞的舍爾法壩，之后預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)廣泛應(yīng)用于土木、水利等工程領(lǐng)域。預(yù)應(yīng)力錨索加固大壩用于解決如下問題：提高大壩壩基抗滑穩(wěn)定；加固補(bǔ)強(qiáng)壩體裂縫或局部損壞；抵抗上浮力，削減消除壩踵拉應(yīng)力，提高整體穩(wěn)定性等。但是很多工程設(shè)計(jì)之初是基于二維計(jì)算的，現(xiàn)在隨著大型三維土木計(jì)算軟件的開發(fā)應(yīng)用，可以進(jìn)行更精確、合理的計(jì)算、研究與設(shè)計(jì)。文中將ANSYS，F(xiàn)LAC3D，TECPLOT三大軟件結(jié)合運(yùn)用，對(duì)龍王塘水庫重力壩預(yù)應(yīng)力錨固工程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 龍王塘水庫預(yù)應(yīng)力錨固工程原設(shè)計(jì)

龍王塘水庫位于大連市旅順口區(qū)，1925年建成，已經(jīng)運(yùn)行80多年，壩體有很多隱患。2008年大連市水利建筑設(shè)計(jì)院對(duì)龍王塘水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)，校核計(jì)算發(fā)現(xiàn)擋水重力壩（最大壩高40.8 m）壩踵處出現(xiàn)拉應(yīng)力，需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固工程消除拉應(yīng)力。成果見表1。

原預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)方案按圖1在+0-+158.38段共6個(gè)壩段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索施工，布置錨索32根，采用粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索，單排布置，距上游鉛直壩面1.2 m。通過對(duì)6個(gè)壩段分別取其最大壩斷面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，最后確定單根預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)張拉力為3 000 kN。每根錨索由21根7φ5鋼絞線組成，鉆孔孔徑為180 mm，內(nèi)錨固段采用水泥漿粘結(jié)。錨索間距為3～8 m，為改善錨固段部位的應(yīng)力狀態(tài)，錨索長、短相間布置，深入基巖10～13 m。

表1 重力壩壩踵應(yīng)力計(jì)算成果表（加固前） MPa

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索縱剖面布置圖

2 工程三維數(shù)值模擬

2.1 原設(shè)計(jì)方案三維數(shù)值模擬

為了克服FLAC3D軟件難以建立復(fù)雜的模型，而且容易出錯(cuò)的缺點(diǎn)，用ANSYS建立有限元模型、劃分網(wǎng)格，采用程序把復(fù)雜模型導(dǎo)入FLAC3D計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入TECPLOT軟件以顯示結(jié)果云圖。模型采用摩爾庫倫準(zhǔn)則。

表2 模型材料參數(shù)

表2為導(dǎo)入FLAC3D的龍王塘模型參數(shù)，在模擬過程中發(fā)現(xiàn)材料參數(shù)的選取對(duì)模擬結(jié)果會(huì)產(chǎn)生大的影響，文中的材料參數(shù)結(jié)合《龍王塘水庫大壩工程地質(zhì)勘查報(bào)告》與參數(shù)試算，以及工程運(yùn)行現(xiàn)狀選取的，使模擬結(jié)果更貼近實(shí)際。

根據(jù)報(bào)告中的計(jì)算進(jìn)行模型加載計(jì)算，應(yīng)力云圖為沿距上游面1.2 m處的軸向切面圖。見圖2。

圖2 加錨前應(yīng)力等值線圖 σ3/Pa

由FLAC3D輸出的錨索軸向力圖3看出有4根軸力變小的錨索，即從圖1的左側(cè)數(shù)為第16，18，26，29根，說明錨索預(yù)應(yīng)力并未完全施力。由圖2可以看出，壩體中間幾個(gè)壩段壩踵處并不存在拉應(yīng)力，只有兩端壩肩附近存在拉應(yīng)力。

經(jīng)過加固前后的兩云圖（圖2、圖4）對(duì)比，發(fā)現(xiàn)錨固后拉應(yīng)力區(qū)變小，壓應(yīng)力區(qū)變大（兩大應(yīng)力區(qū)以0值線為分界，大于0值的區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，小于0的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力），但加固后的兩端壩踵拉應(yīng)力也并未完全消失，故結(jié)合以上對(duì)比分析，考慮研究方案在圖1的+0-+33.23、+108.58-+158.38之內(nèi)的3個(gè)壩段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨固。

圖3 原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索軸力圖 σ3/N

圖4 原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力等值線圖 σ3/Pa

2.2 研究方案三維數(shù)值模擬

在靠近壩體上游面采用預(yù)應(yīng)力錨固，既可以增加壩體的抗滑穩(wěn)定，又可以消除壩踵拉應(yīng)力。《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定有限元法計(jì)算的壩基應(yīng)力其上游面拉應(yīng)力區(qū)寬度，宜小于壩底寬度的0.07倍，或小于壩踵至帷幕中心線的距離，不作二維處理的壩體或壩段，局部應(yīng)力值可不受規(guī)范中的應(yīng)力指標(biāo)的規(guī)定，并結(jié)合《水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》和二維校核結(jié)果進(jìn)行3個(gè)壩段的預(yù)應(yīng)力錨索布置。

研究方案利用預(yù)應(yīng)力與錨固長度的正比關(guān)系、避免群錨失效的長短間隔布置等原則，以及借助FLAC3D實(shí)現(xiàn)的錨索破壞顯示以及模型材料彈塑性，比較多組方案結(jié)合壩頂寬度限制，最終確定錨索采用粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索，單排布置在兩端壩肩的第1，5，6三個(gè)壩段，錨固長度10 m與13 m間隔布置。結(jié)合原設(shè)計(jì)方案的二維計(jì)算，使每壩段預(yù)應(yīng)力總和與原設(shè)計(jì)方案相同，錨索間距及錨固長度不變，第一壩段施加3 000 kN/根的預(yù)應(yīng)力，后面五、六壩段兩根預(yù)應(yīng)力錨索分別施加預(yù)應(yīng)力4 000 kN與2 000 kN，錨索布置圖5。設(shè)計(jì)方案預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力等值線見圖6。

圖6 錨索布置圖

圖7 設(shè)計(jì)方案預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力等值線圖

圖8 預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力比較

從圖6看兩端加預(yù)應(yīng)力錨索同時(shí)也改善了壩中段的應(yīng)力條件，增加了壓應(yīng)力帶，體現(xiàn)了大體積混凝土群錨的加固效應(yīng)，即在巖體表面的壓縮效應(yīng)，錨索錨固段的長短間隔布置又避免了群錨在錨固末端形成拉應(yīng)力集中帶。預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力比較見圖7。

由圖7的應(yīng)力比較知，減少中間壩段預(yù)應(yīng)力錨索的研究方案與原設(shè)計(jì)加固方案應(yīng)力幾近重合，都未完全改變壩踵拉應(yīng)力狀況。

3 結(jié)語

1）FLAC3D軟件在建立復(fù)雜模型及模型網(wǎng)格劃分方面存在弊端，本文結(jié)合了ANSYS，F(xiàn)LAC3D，TECPLOT三大軟件分別在建模、巖土計(jì)算以及結(jié)果顯示的優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)了龍王塘預(yù)應(yīng)力錨固工程的三維數(shù)值模擬。

2）從模擬結(jié)果看原工程的加固方案并未完全消除兩壩肩附近的壩踵拉應(yīng)力，而規(guī)范規(guī)定當(dāng)有限元計(jì)算時(shí)，壩體壩基上游面當(dāng)計(jì)入揚(yáng)壓力后，允許拉應(yīng)力區(qū)存在一定寬度，所以研究方案在壩體中段不設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索。從研究方案的應(yīng)力云圖看，盡管中段未加預(yù)應(yīng)力，但壩體整體應(yīng)力也得到了改善，拉應(yīng)力區(qū)縮小，壓應(yīng)力區(qū)相對(duì)增大，存在壩踵拉應(yīng)力的壩段應(yīng)力條件同樣得到了一定程度的改善。

3）三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示，通過二維計(jì)算并不能很好地模擬工程實(shí)際，對(duì)有更高要求的工程，可能得不到最為合理可行的設(shè)計(jì)方案，故此后設(shè)計(jì)可結(jié)合二維計(jì)算及本文提出的三大軟件聯(lián)合運(yùn)用的三維數(shù)值模擬，從而得到更合理、更經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力錨固方案。

[1]廖秋林，曾錢幫，劉彤，等.基于ANSYS平臺(tái)復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型的自動(dòng)生成[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(6)：1010-1013.

[2]李寧，張鵬，于沖.邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固的數(shù)值模擬方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(2)：254-261.

[3]胡斌，張倬元，黃潤秋，等.FLAC3D前處理程序的開發(fā)及仿真效果檢驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(9).

[4]鄧華鋒，李建林，王樂華.預(yù)應(yīng)力錨索群錨效應(yīng)的數(shù)值模型試驗(yàn)研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，28(3)∶193－196.

[5]SL319—2005.混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國水利部，2005,11.

[6]SL 212—98.水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].東北勘測設(shè)計(jì)研究院，1998,8.

[7] 陳育民，徐鼎平.FLAC3D/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，2009，1.

[8]王泰恒，許文年，陳池，周宜紅.預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)基本理論與實(shí)踐[M].北京：中國水利水電出版社，2007，9.