高拱壩表孔對壩體應力變形影響分析

楊 勝, 彭 顯 國

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

目前我國西南地區涌現出一大批已建和待建的高拱壩，泄洪量不斷攀升，壩頂開設表孔尺寸日益增大。壩頂開設大孔口，造成壩頂不能形成連續性拱圈，且壩頂一般較薄，設置弧形閘門又需要一定的空間，從而要求在表孔的上、下游增設支承水平梁及閘墩，使得表孔結構變得十分復雜。此外，孔口會造成局部應力集中，可能導致孔口局部混凝土開裂和裂縫的發展，進而影響壩體的正常運行，對大壩的安全造成影響，是大壩設計中較為關注的問題之一。拱壩應力狀態呈典型三維分布特征，孔口簡化為二維計算必然損失精度，無法真實地描述孔口周圍的應力分布規律，分析其影響因素。筆者以某工程的表孔為研究主導，建立了不同表孔結構形式的拱壩模型，基于ANSYS 中的子模型技術進行了三維有限元計算分析，以了解不同孔口尺寸、不同形式的水平梁及閘墩情況下表孔局部應力分布情況及其對壩體應力變形的影響，從而為高拱壩表孔的布置及優化設計提供了參考依據，對節省工程投資具有重要意義。

某水電站樞紐位于高山峽谷區，攔河大壩為對數螺旋線雙曲薄拱壩，最大壩高250 m。壩身泄洪采用表孔、深孔(底孔)聯合泄流方式。三個泄洪表孔布置于壩頂中部，由進口段、平直段、WES曲線段和反弧段(左、右表孔包括鼻坎段)或斜直段(中表孔包括跌坎)組成。三個進口共用一扇平板檢修門，每孔布置一扇弧形工作門，單孔凈寬13 m；消能工為橢圓及蝙蝠型舌型挑(跌)鼻坎。

2 計算模型

拱壩整體模型包括整個壩體、地基及表孔閘墩結構等，沒有考慮壩體廊道及深孔(底孔)的影響。子模型選取表孔所在位置的四個壩段，并通過比較切割邊界上的應力結果與整體模型相應位置的結果是否一致驗證了子模型邊界的合理性。在保證計算精度的前提下，對表孔結構的主要研究部位盡量精確模擬，對次要部位合理簡化。整體模型、子模型網格剖分基本采用八節點六面體單元，部分通過四面體實體單元進行過渡。拱壩整體、子模型有限元模型見圖1、2。

圖1 拱壩整體有限元模型示意圖

圖2 子模型有限元模型示意圖

計算工況為正常蓄水位、設計洪水位兩種，主要考慮的荷載有水壓力、揚壓力、泥沙壓力、壩體自重、弧門推力以及溫度荷載等，荷載組合情況見表1。其中水荷載簡化計算，即在上、下游壩面施加靜水壓力,壩底及壩肩施加揚壓力(壩底揚壓力的計算考慮了防滲帷幕及排水管的作用)；表孔泄流時根據水工模型試驗所得水面線簡化施加流道水壓力；弧門擋水時，弧門上游均為相應水頭的靜水壓力；檢修情況考慮進口事故檢修門擋水，檢修門上游為相應水頭的靜水壓力，檢修門后無水壓力。根據設計施工資料計算得到壩體溫度場(泄水時孔內為孔口庫水溫邊界，檢修時孔內是氣溫邊界)，進而計算出溫度引起的初應變，而后求得相應的初應變引起的等效結點溫度荷載，最后按通常的求解應力方法求得溫度應力。

表1 荷載組合表

3 表孔對壩體應力影響分析

通過對壩體開設表孔及不開孔模型有限元計算成果進行對比分析可知：壩頂開設表孔后，由于拱向作用被削弱，孔口周邊的X、Y、Z向應力受到很大的影響。上、下游的孔口周邊均出現小范圍的X、Z向拉應力；孔口附近的Y向應力總的趨勢是壓應力較無孔時有所減小，且越接近孔口降低越多，局部出現拉應力?？卓趥缺谌蚓霈F大范圍的拉應力，但其值不大；孔口角沿應力集中現象較明顯，Y、Z向壓應力均有較大幅度的增加；孔口各向位移均略有增大。現從開孔尺寸(不同寬度、高度)、孔口形式(水平梁、不連續牛腿)等方面分別進行計算分析，進一步研究了表孔應力變形分布及其對壩體應力變形的影響。由于兩種工況下壩體應力變形分布規律基本一致，故筆者僅對工況1下的計算結果進行分析。

3.1 孔口寬度對壩體應力變形影響分析

為了探討開孔寬度(孔口總寬度)對壩體應力變形的敏感性分析，分別對壩頂開設3孔、5孔、7孔、9孔幾種情況進行計算分析。每孔尺寸為13 m×17 m(寬×高)，孔之間設有閘墩，孔口總的寬度占頂拱弧長比例分別為8.36%，13.93%，19.5%，25.1%。各方案孔口關鍵部位的應力值見表2。從計算成果分析可知，壩頂設置不同數目的孔口，對壩體下部的影響很小，隨著孔口寬度(總的寬度)的增大，壩體上部X、Z向位移逐步增大，而Y向位移基本不變。

開設不同數目孔口時，孔口周邊及附近應力均有變化。5孔方案壩體上、下游面孔口周邊及孔口側壁的拉應力值最大；表孔數目由3孔增加到5孔時，孔口周邊及附近的拉應力略有增大；由5孔增到7、9孔時，拉應力值逐步降低，但Y向應力降幅很小?？梢?，總孔口寬度占頂拱弧長比例較小時，加大孔口寬度使得孔口局部的拉應力值增大；但是，當比例增到20%左右時，再增加總寬度，使得頂部拱圈進一步被削弱，傳遞的力減小，孔口局部應力反而開始降低。

3.2 孔口高度對壩體應力變形影響分析

為了進一步研究壩體表孔尺寸對壩體應力變形分布規律的影響，以壩頂開設3孔的情況為例，分別計算孔口高度為7 m、12 m、17 m、22 m四種方案的壩體及表孔局部應力變形分布，各方案孔口關鍵部位的應力值見表3。從計算成果可知，改變表孔的孔口高度對壩體下部的影響很小。隨著孔口高度的增大，壩體上部X、Y、Z三向位移均逐步增大，但最大值出現的部位一致?？卓诟叨葹?2 m時壩體位移最大，X、Y向拉應力最大，Z向壓應力最大，而孔口高度為7 m時，Z向拉應力最大(1.5 MPa)。

孔口高度由7 m漸變為22 m時，孔口局部應力變化趨勢為X、Y向應力略有增大，Z向應力減小，Y向拉應力區域分布位置變化很大。當孔口高度與壩高之比達到一定程度(22/250=8.8%)時，進一步增加孔口高度，Y向拉應力仍有增加，但X、Z向拉應力基本不變。

表2 不同孔口數目時孔口關鍵部位應力值表 /MPa

注：壓應力為負，拉應力為正。

表3 不同孔口高度時孔口關鍵部位應力值表 /MPa

注：壓應力為負，拉應力為正。

3.3 孔口形式對壩體應力變形的影響分析

表孔流道、上下游懸臂、閘墩、水平大梁、不連續牛腿等區域的應力變形是設計中極為關注的問題，關系到結構設計、孔口配筋、體型優化等，不同孔口形式勢必影響到孔口及周邊應力變形的分布。筆者分別以水平梁式孔口方案和不連續牛腿式方案為例對此進行探討。

設置水平梁及閘墩后，表孔邊墩側壁的X、Y向拉應力大幅度增加，主要分布于邊墩與水平梁交接部位的上游及下部，X向最大拉應力為3.5 MPa，Y向最大拉應力為2.5 MPa；下游懸臂與邊墩交接處外側Y向拉應力增大，最大拉 應 力 為

1.9 MPa；Z向應力變化較小。表孔其余部位應力變化不大。與水平梁方案相比，不連續牛腿方案的邊墩過流側壁X向應力降低，由3.5 MPa減小到2.7 MPa，且拉應力區下移；Y向拉應力明顯降低，最大拉應力由2.5 MPa減小到1.7 MPa，且拉應力區域明顯減小，主要分布于牛腿與邊墩交接處及牛腿下部；邊墩進、出口外側壁的Y向拉應力明顯增大，最大拉應力為2.9 MPa，比水平梁方案增大1 MPa?？梢?，兩種方案各有優越性及不足，應根據泄水、交通、金結安裝等要求綜合考慮采用。

4 結 語

研究結果表明：拱壩壩頂開設表孔及增設水平梁和閘墩對壩體應力變形影響是局部的，主要集中在孔口周邊及附近，而對壩體的下部幾乎沒有影響。這是由于孔高與壩高之比(17 m/250 m)較小之故，僅為0.07。增設弧門支撐結構及閘墩增加了孔口附近壩體的厚度，能緩解孔口周邊的應力狀態，明顯改善了孔口對壩體的削弱作用，但表孔邊墩側壁的X、Y向拉應力大幅度增加，水平梁上產生了一定的應力集中，孔口周邊強度需進一步加強，水平梁及不連續牛腿方案各有優勢，在滿足泄水、交通、金屬結構安裝要求的前提下，有待進一步優化表孔結構形式，改善應力狀態。

參考文獻：

[1] 陳 進,黃 薇,丁 茜.大壩矩形孔口應力狀態分析[J].水力發電,2000.46(12)：21-24.

[2] 趙小蓮,張仲卿.增設孔口牛腿對雙曲拱壩應力的影響[J].廣西大學學報(自然科學版)，2003.28(4)：333-336.

[3] 車 軼,宋玉普.混凝土高拱壩孔口三維非線性分析[J].大連理工大學學報,2003.23(2):218-221.

[4] 王進廷,楊 劍,王吉煥，等.二灘拱壩應力仿真及參數敏感性分析[J].水利學報，2007.38(7)：832-837.