基于ANSYS橡膠壩底板改進的可行性研究

孫卓

（臨沂市水政監察支隊，山東 臨沂 276000）

基于ANSYS橡膠壩底板改進的可行性研究

孫卓

（臨沂市水政監察支隊，山東 臨沂 276000）

本文針對橡膠壩工程運行過程中存在的問題，對橡膠壩混凝土底板的斷面設計提出改進方案，并轉化為三個對比方案，再通過ANSYS軟件計算分析各方案在極端應用條件下的應力與位移，并據此對改進方案的應用前景進行探討，供橡膠壩工程設計人員參考。

橡膠壩；底板；ANSYS；極端條件

橡膠壩在運行過程中壩袋在過水壓力作用下，與平面底板貼合引起排水口封堵，造成壩袋內的余水排出困難。為解決這一問題，作者曾提出過采用弧線形底板的方案，即將兩條錨線之間，水帽周圍的底板下凹，將下游錨固線以下的底板設計成折線、水力曲線或弧線。同時在原水平面加設必要水平支撐，避免壩袋下沉，使壩袋不再與底板貼合，保證排水通暢。

圖1 本文研究的橡膠壩設計剖面圖

1 ANSYS橡膠壩模型與條件加載

為了驗證上述改進方案的可行性。作者將該方案建立ANSYS有限元模型進行受力分析。為了更明顯的體現底板及壩袋的應力位移變化，在極端條件下進行底板受力分析，即對底板混凝土強度、壩袋強度有關參數均偏低設置，而對上下游水位差、以及壩袋內壓比均取《規范》[1]允許的最大值。在此條件下，橡膠壩接近破壞或已經破壞時的工況下，分析底板及壩袋的受力。從而更有針對性的說明底板改進方案的可行性。

1.1 橡膠壩參數設定

如圖1，橡膠壩底板為C20鋼筋混凝土結構，壩底板順水流方向長度11.42m，底板厚1.0m，底板高于地基0.3m，上下游均設深1.8m齒墻。

按《規范》[1]允許的最大壩高及最大內壓，即壩袋擋水高度5.0m，內壓比為1.60，壩袋膠布型號為JBD5.0-500-2，在設計工況下，壩袋橫斷面的幾何形狀為上游為R=4.5835m的圓弧段，弧長7.62m，下游為變半徑曲線段，曲線長8.31m，全段壩袋有效周長15.93m。

壩袋橡膠為氯丁橡膠，壩袋帆布為錦綸6，織物組織方式為加強方平，壩袋厚度為20.3mm。為了使研究模型更加貼近實際工況，底板下選取3.0m厚，18.0m長的地基，作為共同研究對象。

1.2 ANSYS橡膠壩模型的建立

根據研究需要，設置橡膠壩模型的具體設計參數如表1。其中底板的彈性模量及泊松比的選取依據GB50010-2002《混凝土結構設計規范》選取。由于壩袋由錦綸帆布和氯丁橡膠相互疊加而成，各層厚度已知，故通過單位面積的壩袋膠布，可計算得到壩袋的密度為1413.05kg/m3，但壩袋帆布由錦綸纖維編織而成，帆布有空隙，實際密度小于1000，因而壩袋的實際密度也小于上式計算值，故近似取壩袋密度為1400kg/m3。壩袋的彈性模量根據擬定的壩袋的扯斷強度800kN/m換算確定為表中上述值。定義完畢后的模型如圖2。

表1 橡膠壩模型有關材料參數表

圖2 常規橡膠壩三維模型

1．3 網格劃分與邊界條件加載

設置網格線密度為0.1m，并將網格統一劃分為六面體，以提高精確度。模型設為極限工況，即壩袋充漲到設計壩高，上游水位與壩袋設計高度等高，下游無水的情況。由于內壓比定義可知，壩袋內表面與錨固線間底板承受的水壓力為8m。在重力的作用下，水壓力在重力的作用下隨著高程的升高而逐步減小。壩袋上游自地基加載5.3m的水壓力。

2 ANSYS模型的驗證

為了模型分析的誤差，使所得數據更貼近工程實際，利用該模型驗證壩袋線性模擬計算的三個重要參數——壩袋密度、彈性模量、泊松比與壩袋變形的關系。在初始設定條件下進行計算，得到的壩袋變形示意圖，如圖3。

圖2 初始設定條件下壩袋計算變形圖m

2．1 材料密度與壩袋變形相關性驗證

首先保持其他參數不變，改變壩袋密度，將壩袋密度設置為1000kg/m3、2000kg/m3、3000 kg/m3，相應壩袋最大變形量為2.856m，2.869m和2.881m。

壩袋材料密度與壩袋變形最大值的近似關系曲線解析式為y=1E-05+2.8436。由此可見，隨著壩袋密度的增加，壩袋變形在重力的影響下也越明顯。因而兩者之間正相關的一次線性關系與實際情況是相符合的。

2．2 彈性模量與壩袋變形相關性驗證

同理，保持其他參數不變，將壩袋材料彈性模量設置為7E+9、9E+9帕。于是得到壩袋材料彈性模量與壩袋變形最大值的近似關系曲線解析式為y=229+10/X。由此可見，壩袋材料彈性模量與壩袋變形最大值之間呈反比關系。而根據彈性模量的定義，彈性模量E是指材料在外力作用下產生單位彈性變形所需要的應力，即可知在外力作用不變的情況下，彈性模量與壩袋變形最大值之間應當呈反比關系。因而作者得到的壩袋材料彈性模量與壩袋變形最大值的關系曲線是與實際情況相符合的。

2．3 泊松比與壩袋變形相關性驗證

再將泊松比依次設置為0.40、0.42、0.46。于是得到壩袋材料的泊松比與壩袋變形最大值的近似關系曲線解析式為y=1.965x+1.9963。隨著泊松比的增大，壩袋變形也會相應增大。因而兩者之間正相關的一次線性關系與實際情況是相符合的。

3 ANSYS模擬計算與評價

為了具體研究底板斷面不同引起的應力變化，除了現行的平面底板方案，模擬三種斷面的對比方案。（1）下游下傾方案。即下游錨固線以下下傾4.5°。（2）開槽方案，即在方案（1）的基礎上，沿橡膠壩壩袋中心線開一個斷面較小、與壩袋等長的貫通凹槽；（3）折線形方案，即在方案（1）的基礎上，上下游錨固線之間底板上平面整體下凹的斷面形式。

3.1 ANSYS模擬計算結果

經過ANSYS模擬計算，得到四種方案底板部分的水平位移云圖。通過觀察水平位移云圖發現，橡膠壩有限元模型在下游錨固線處發生了拉伸破壞。

該模型的意義主要在于以下方面：（1）能夠反映橡膠壩底板的應力應變的分布、變化規律；（2）證明混凝土底板在強度等級較低的情況下，除需要采取局部加密鋼筋等措施應對局部拉伸以外，完全能夠滿足工程需要。這與橡膠壩造價低、工期短、施工簡單的優點是相適應的。

3.2 應力位移數據分析

經過ANSYS模擬計算，能夠得到現行方案與三種對比方案各自的X（水流方向）、Y（豎直方向）、Z（壩體軸線方向）及其矢量和的應力、位移云圖及其相應極值。由于模型截取典型橫斷面，不分析Z向的應力與位移。

3.3 計算數據對比分析

三個改進方案中，折線形底板方案對改善壩袋排水最有利，底板開槽方案次之，傾斜下底板方案的改進效果最不明顯；傾斜下底板方案的應力和位移情況最優，底板開槽方案次之，折線形底板方案的應力和位移狀態最不利。作者傾向于對底板開槽方案進行繼續研究和優化，該方案具備較大的推廣價值和實用意義。

4 結論

壩袋變形與壩袋材料的彈性模量、泊松比以及密度存在一定的線性關系。如果彈性模量、泊松比以及密度取值較準確，一般情況下采用實體元素的誤差較小。

底板優化設計方案在實際中較為可行，其中可以將下游錨固構件以下的直線型設計改為折線，在底板上開溝槽方案的力學條件最優，降低錨固槽間底板高程方案的運行效果最好。這些改進可為進一步優化底板設計方案提供參考。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB/T50979-2014橡膠壩工程技術規范[S]．北京：中國計劃出版社，2014．

[2]孫卓．橡膠壩底板設計改進方案探討[J]．三峽大學學報，2009（3）：30-33．

[3]孫卓．基于ANSYS的橡膠壩安全分析及其底板結構優化[D]．宜昌：三峽大學，2009．

（責任編輯遲明春）

TV644

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1009-6159（2017）-01-0015-02

2016-06-09

孫卓（1987—），男，助理工程師