后水河大壩新老壩體結(jié)合面應(yīng)力有限元分析

許 敏，雷 盼

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550002)

1 工程概況

后水河水庫位于綏陽縣蒲場鎮(zhèn)，距離貴陽210 km。工程所在地綏陽縣位于貴州省高原北部，遵義市中部，大婁山山脈中段。水庫位于長江流域?yàn)踅刀壷Я?一級為湘江)仁江左岸的一條支流——后水河上游，為已建的一座以灌溉為主，兼有發(fā)電的中型水庫。壩址以上流域面積92.2 km2，多年平均年徑流量5 866萬m3。工程樞紐包括攔河壩(含沖砂底孔)、溢洪道、壩后電站、取水建筑物等。現(xiàn)水庫總庫容1 650萬m3，正常蓄水位935.3 m。設(shè)計(jì)灌溉面積3 532 hm2(現(xiàn)保灌面積為2 444 hm2)。壩后電站裝機(jī)容量2×200 kW，主要供給周邊農(nóng)村用電。該水庫于1966年開始設(shè)計(jì)，初期設(shè)計(jì)為混凝土連拱壩，后改為漿砌石重力壩，溢流壩段設(shè)置5孔8 m×2.5 m(寬×高)的平面鋼閘門，堰頂高程 932.5 m。簽于當(dāng)時(shí)的歷史原因，整個(gè)工程并未竣工:大壩基本于1974年完工，閘門未安裝，正常蓄水位932.5 m，達(dá)不到灌田3 333.33 hm2的設(shè)計(jì)效益［1］。

2008年8月，受業(yè)主單位綏陽縣水利局委托，由我院承擔(dān)后水河水庫加高勘測設(shè)計(jì)工作。本文應(yīng)用有限元計(jì)算軟件Ansys對水庫大壩加高后新老壩體結(jié)合面應(yīng)力進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果，提出了初步的處理措施。

2 ANSYS有限元程序簡介［2］

20世紀(jì)60年代末70年代初，開始出現(xiàn)了大型商業(yè)通用有限元程序，這些商用有限元程序不但在分析功能方面幾乎覆蓋了所有的工程領(lǐng)域，其程序使用也非常方便，有一定電腦基礎(chǔ)的工程師，只要經(jīng)過簡單應(yīng)用培訓(xùn)，都可以在不長的時(shí)間內(nèi)就能掌握、并應(yīng)用該類程序分析實(shí)際工程項(xiàng)目［1］。工程結(jié)構(gòu)分析的研究對象是物理力學(xué)模型，而有限元法的分析對象是將力學(xué)模型離散化后得到的有限單元模型。

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，它可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)中運(yùn)行，可與大多數(shù)CAD軟件接口。

ANSYS軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)有限元項(xiàng)目，其典型的分析過程由前處理、求解計(jì)算和后處理3個(gè)部分組成［4］。ANSYS程序中可以直接輸入由關(guān)鍵點(diǎn)、線、面和體構(gòu)成的力學(xué)幾何模型(程序稱為實(shí)體模型)，然后對其劃分網(wǎng)格形成有限單元模型。有限元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而產(chǎn)生的一種計(jì)算方法，它把求解區(qū)域劃分成許多小的在節(jié)點(diǎn)處互相連接的子域(單元)，然后在單元的節(jié)點(diǎn)上施加荷載、約束，進(jìn)而進(jìn)行求解。對于一些重要的工程，特別是對壩基深處的抗滑穩(wěn)定問題較嚴(yán)重的情況，除剛體極限平衡法外，常常要進(jìn)行有限元分析與模型試驗(yàn)，作為校核、驗(yàn)證或深入研究的手段。

3 計(jì)算條件

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算選取綏陽后水河重力壩的溢流壩段和擋水壩段分別建模。新老混凝土的基礎(chǔ)面采用薄層單元降彈模來模擬，基巖的選取范圍為2倍壩高，單元?jiǎng)澐植捎?節(jié)點(diǎn)六面體，溫度場和應(yīng)力場計(jì)算分別采用Solid70和Solid45單元模擬，兩者可以相互轉(zhuǎn)換。

3.2 邊界條件

1)溫度場計(jì)算邊界條件:地基部分的邊界按絕熱邊界條件處理;壩體與水接觸的邊界為第一類邊界條件，在蓄水過程中取為河水溫度，溫度為時(shí)間的函數(shù)，在正常運(yùn)行期取庫水水溫，溫度為時(shí)間和空間的函數(shù);壩體與空氣接觸的邊界為第三類邊界條件，不同時(shí)段的表面放熱系數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速與時(shí)間變化關(guān)系和固體表面放熱系數(shù)的變化關(guān)系而確定。

2)應(yīng)力場計(jì)算邊界條件:基巖底部和四周都是法向約束。

3.3 計(jì)算參數(shù)

本溫度場計(jì)算按穩(wěn)定溫度場進(jìn)行，為結(jié)構(gòu)分析提供溫升和溫降荷載。夏季溫度場是按溫度邊界條件接近最高時(shí)所得計(jì)算穩(wěn)定溫度場，冬季溫度場和合攏溫度場同理計(jì)算。溫升荷載為夏季溫度場與合攏溫度場之差，溫降荷載為冬季溫度場與合攏溫度場之差。

壩址所在地區(qū)的水溫、氣溫、地溫見表1，計(jì)算用材料的熱力學(xué)參數(shù)見表2，材料的力學(xué)參數(shù)見表3。

表1 后水河壩址處水溫、氣溫及地溫資料

表2 結(jié)構(gòu)材料熱力學(xué)參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

3.4 計(jì)算荷載及工況組合

計(jì)算考慮自重、水壓力、揚(yáng)壓力及溫度荷載。計(jì)算工況表見表4，其中溫升荷載為7月份的溫度與穩(wěn)定溫度場之差，溫降荷載為1月份的溫度與穩(wěn)定溫度場之差。

表4 荷載工況組合表

4 計(jì)算結(jié)果

限于篇幅，只列出溢流壩段部分三維有限元分析，擋水壩段計(jì)算結(jié)果略去。

4.1 溢流壩段正常蓄水位工況

該工況計(jì)算溢流壩段正常蓄水位工況下，溫升、溫降的溫度應(yīng)力。

計(jì)算結(jié)果表明，在夏季溫升工況下，新老壩體結(jié)合面以壓應(yīng)力為主，壩體的最大壓應(yīng)力為2.8 MPa，下游表面的最大壓應(yīng)力為5 MPa，均在材料允許范圍。在冬季溫降工況下，新老壩體結(jié)合面的大部分區(qū)域受拉，最大拉應(yīng)力為0.50 MPa，在老壩體的允許抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，溢流壩段下游表面也出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為1.28 MPa，在C25混凝土允許的拉應(yīng)力范圍內(nèi)，壩體的最大壓應(yīng)力為2.8 MPa，在漿砌石的允許壓應(yīng)力范圍內(nèi)。由于漿砌石材料的變異，在防滲面板處、新老壩體接觸面出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象。

4.2 溢流壩段設(shè)計(jì)洪水位工況

該工況計(jì)算溢流壩段在設(shè)計(jì)洪水位工況下溫升、溫降的溫度應(yīng)力。設(shè)計(jì)洪水位與正常蓄水位僅相差0.49 m，對壩體的溫度場影響并不大。

計(jì)算結(jié)果表明，在夏季溫升工況下，新老壩體結(jié)合面以壓應(yīng)力為主，壩體的最大壓應(yīng)力為2.78 MPa，下游表面的最大壓應(yīng)力為5 MPa，均在材料允許范圍。在冬季溫降工況下，新老壩體結(jié)合面的大部分區(qū)域受拉，最大拉應(yīng)力值為0.25 MPa，在老壩體的允許抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，溢流壩段下游表面也出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為1.3 MPa，在C25混凝土允許的拉應(yīng)力范圍內(nèi)，壩體的最大壓應(yīng)力為3.0 MPa，在漿砌石的允許壓應(yīng)力范圍內(nèi)。限于篇幅，略去計(jì)算結(jié)果。

4.3 溢流壩段校核洪水位工況

該工況計(jì)算溢流壩段在校核洪水位工況下，溫升、溫降的溫度應(yīng)力。

計(jì)算結(jié)果表明，在夏季溫升工況下，新老壩體結(jié)合面以壓應(yīng)力為主，壩體的最大壓應(yīng)力為3.0 MPa，下游表面的最大壓應(yīng)力為5.21 MPa，均在材料允許范圍。在冬季溫降工況下，新老壩體結(jié)合面的大部分區(qū)域受拉，最大拉應(yīng)力值為0.45 MPa，溢流壩段下游表面也出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為1.31 MPa，在C25混凝土允許的拉應(yīng)力范圍內(nèi)，壩體的最大壓應(yīng)力為3.2 MPa，在漿砌石的允許壓應(yīng)力范圍內(nèi)。限于篇幅，略去計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)論

有限元分析表明，大壩加高后，溢流壩段和擋水壩段中壓、剪應(yīng)力均滿足規(guī)范要求［3］。但是在新老壩體結(jié)合面局部出現(xiàn)拉應(yīng)力偏大現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力0.5 MPa。建議處理措施為:

1)將大壩下游壩坡用人工拆除呈高2 m、寬1 m的臺階狀，去除松動(dòng)的石塊、骨料及碳化層，并用噴射水清洗。伴隨澆筑進(jìn)度，在老壩面上刷上一層砂漿后立即澆筑混凝土。

2)在其結(jié)合面上鉆孔插筋(錨桿)，鋼筋長度3 m，埋入老壩體1.5 m，直徑Φ25。排列成梅花型布置于整個(gè)結(jié)合面。新老壩體結(jié)合面最大拉應(yīng)力為0.5 MPa即500 kN/m2，錨桿間排距按0.5 m布置。

［1］貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.貴州省綏陽縣后水河水庫加高工程可行性研究報(bào)告［R］.綏陽:綏陽縣水利局，2009.

［2］劉亞麗，辛全才.基于ANSYS的滾水壩穩(wěn)定與應(yīng)力分析［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2011，22(02):118 －121.

［3］SL 25—2006砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.