混凝土重力壩正常蓄水位工況結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

李智高

（廣西水利科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023）

【摘 要】結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)是水工建筑物維修與加固的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章通過(guò)對(duì)典型混凝土重力壩正常蓄水位工況下變形、應(yīng)力與抗滑穩(wěn)定的有限元仿真分析，對(duì)該重力壩進(jìn)行工程復(fù)核計(jì)算，并開(kāi)展安全性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：該混凝土重力壩位移數(shù)值較小，混凝土應(yīng)力、壩基應(yīng)力和壩基抗滑穩(wěn)定均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

【關(guān)鍵詞】混凝土重力壩；有限元；安全評(píng)價(jià)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TV642.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）03-0109-04

0 前言

水工建筑物是抗御洪澇、干旱等自然災(zāi)害的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]，對(duì)保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。一旦水工建筑物失事，將嚴(yán)重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)不可估量的損失[2]。因此，對(duì)既有水工建筑物的安全性狀態(tài)進(jìn)行正確評(píng)價(jià)分級(jí)，對(duì)既有水工建筑物的維修與加固具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，水工建筑物安全性評(píng)價(jià)體系包括工程現(xiàn)狀的調(diào)查分析、現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)、工程復(fù)核計(jì)算和安全性總體評(píng)價(jià)[3]，其中，工程復(fù)核計(jì)算結(jié)果直接指導(dǎo)最終的安全性評(píng)價(jià)結(jié)論，是水工建筑物安全性評(píng)價(jià)中的重要環(huán)節(jié)。

本文以一座典型的混凝土重力壩為研究對(duì)象，采用ANSYS有限元仿真分析方法[4]，對(duì)該重力壩變形應(yīng)力與抗滑穩(wěn)定進(jìn)行綜合計(jì)算，并開(kāi)展相應(yīng)的安全性評(píng)價(jià)。分析結(jié)果有助于有限元仿真模擬這一先進(jìn)分析方法在水工建筑物安全性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

1 計(jì)算模型

典型混凝土重力壩壩高27 m，有限元模型如圖1、圖2所示。模型計(jì)算范圍向上游、下游、基巖截取2倍壩高，采用六面體八節(jié)點(diǎn)和五面體六節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分18 210個(gè)單元，其中混凝土壩體單元有10 860個(gè)，壩基單元有7 350個(gè)。混凝土單元密度取24 kN/m3，彈性模量取1.85×104 MPa，泊松比取0.167，抗壓強(qiáng)度取3.346 MPa；壩基單元密度取2.80 kN/m3，彈性模量取0.92×104 MPa，泊松比取0.3，容許壓應(yīng)力取3.0 MPa。

2 計(jì)算工況

在正常蓄水位下，混凝土重力壩工程復(fù)核計(jì)算應(yīng)考慮壩體自重、正常蓄水位靜水壓力、相應(yīng)的揚(yáng)壓力及浪壓力[5]，在ANSYS仿真分析中各荷載計(jì)算如下。

2.1 壩體自重

通過(guò)設(shè)置豎向重力加速度和混凝土密度，由ANSYS自主計(jì)算，以體力形式施加到壩體單元上。

2.2 靜水壓力

規(guī)范規(guī)定，垂直作用于壩體表面某點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)計(jì)算公式如下：

Pw=γw H（1）

公式（1）中：Pw為計(jì)算點(diǎn)處的靜水壓強(qiáng)；γw為水的重度；H為計(jì)算點(diǎn)處的作用水頭。

在ANSYS仿真分析中，靜水壓力以面力形式施加到壩體單元上。

2.3 揚(yáng)壓力

由于實(shí)際工程中混凝土重力壩段常設(shè)置防滲帷幕和排水設(shè)施，故揚(yáng)壓力在排水孔處進(jìn)行折減計(jì)算。壩底面上游（壩踵）處的揚(yáng)壓力作用水頭為H1，排水孔中心線處為H2+α（H1-H2），下游（壩址）處為H2，其間各段依次以直線連接，滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)α由《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319—2005）[5]中的“表B.3.1”查得，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

在ANSYS仿真分析中，揚(yáng)壓力以面力形式施加到壩體底部單元。

2.4 浪壓力

單位長(zhǎng)度迎水面上的波浪力Pwk：

（2）

（3）

（4）

在ANSYS仿真分析中，浪壓力以集中力形式施加到壩體單元上。

3 結(jié)果分析

3.1 位移、應(yīng)力分析

混凝土重力位移、應(yīng)力云圖如圖4所示。計(jì)算結(jié)果分析如下。

（1）混凝土重力壩在正常蓄水位下順?biāo)骶鶠橄蛳掠挝灰疲S壩高增加而逐漸增加，最大順?biāo)魑灰瞥霈F(xiàn)在壩頂，豎向位移均為向下位移，隨壩高增加而逐漸減小，在壩踵處最小，符合重力壩壩體位移分布的一般規(guī)律。壩頂順河向最大位移為0.824 mm，豎直向最大位移為0.902 mm，位移數(shù)值均不大。

（2）混凝土重力壩在正常蓄水位下，壩踵處豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求；壩趾處壓應(yīng)力最大值為-1.05 MPa，小于壩基容許壓應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（3）考慮揚(yáng)壓力，壩體部位上游面的豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求；壩體最大主壓應(yīng)力較小，最大值為-0.48 MPa，小于混凝土的允許壓應(yīng)力值，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（4）混凝土重力壩壩基面及壩體第一主應(yīng)力在壩踵處出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力水平不高，小于混凝土抗拉強(qiáng)度，且拉應(yīng)力區(qū)長(zhǎng)度在1.4 m以?xún)?nèi)，小于允許的計(jì)算截面寬度的7%。同時(shí)，第三主應(yīng)力在壩址處為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力水平不高，小于基巖容許壓應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.2 抗滑穩(wěn)定分析

分別采用抗剪斷公式和抗剪公式對(duì)混凝土重力壩壩基面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析，相應(yīng)的計(jì)算公式如下：

（5）

（6）

式中：K'為抗剪斷計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；K為抗剪計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f '為滑動(dòng)面上的抗剪斷摩擦系數(shù)；f為滑動(dòng)面上的抗剪摩擦系數(shù)；∑P為滑動(dòng)力，所有荷載水平分力之和；G為作用于計(jì)算截面以上壩體的全部垂直向荷載（包括揚(yáng)壓力）；c'為抗剪斷凝聚力；A為單位寬度壩基面積。

參照類(lèi)似工程，混凝土與壩基接觸面之間的力學(xué)參數(shù)范圍如下：c'=1.30～1.10 MPa，f '=1.30～1.10，f=0.65～0.75。本文取c'=1.10 MPa，f '=1.10，f=0.70進(jìn)行重力壩壩基抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表1）表明，壩基抗滑穩(wěn)定性和安全性滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 小結(jié)

本文采用ANSYS有限元分析方法從壩體變形及抗滑穩(wěn)定方面對(duì)重力壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)階段壩體的安全性和可靠性，同時(shí)為進(jìn)一步優(yōu)化大壩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

在實(shí)際工程中應(yīng)借助有限元分析方法，通過(guò)建模對(duì)壩體變形應(yīng)力與抗滑穩(wěn)定進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，并依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到運(yùn)用于實(shí)際工程的效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]潘家錚.重力壩設(shè)計(jì)[M].北京：水利電力出版社，1987.

[2]米文靜.混凝土重力壩防洪安全復(fù)核方法的研究[D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

[3]聶廣明.重力壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)[J].大壩與安全，2015（1）：27-32.

[4]宋光明.某混凝土重力壩有限元靜動(dòng)力分析[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

[5]SL 319—2005，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[責(zé)任編輯：陳澤琦]