溢流壩結構應力計算及其數(shù)值模擬分析

(北票市水利規(guī)劃勘測設計院， 遼寧 北票 122100)

溢流壩結構應力計算及其數(shù)值模擬分析

劉莢

(北票市水利規(guī)劃勘測設計院， 遼寧 北票 122100)

本文通過有限元數(shù)值模擬、理論計算等方法對溢流壩縱向和橫向應力進行計算，研究各主應力工況應力分布規(guī)律，引進材料力學方法計算溢流壩不同荷載組合下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基面應力，并對溢流壩段結構穩(wěn)定性進行定性分析和評價，為類似工程溢流壩結構設計和施工提供數(shù)據(jù)支撐和借鑒。

壩體結構；溢流壩；應力計算；數(shù)值模擬

1 引 言

壩體的結構安全和布置是水利工程安全運營的重要保證，對于目前水利工程防治失穩(wěn)事故起到關鍵作用。但是，中國幅員遼闊，各水系水域分布眾多，水利工程建設的地質條件和工程概況各不相同。因此，結合具體工程進行壩體結構設計和布置，通過理論分析和數(shù)值模擬的方法對壩體結構的安全進行深入分析，對于指導壩體工程安全施工具有重要意義[1-2]。

目前的研究主要有何柱等[3]利用數(shù)值模擬分析小灣拱壩壩體施工過程，并對該工程壩體內部溫度裂縫進行了模擬，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反演計算，確定具體的材料力學參數(shù)，以預測壩體在下一階段蓄水以及最終蓄水后的穩(wěn)定性等；沈輝等[4]采用面向對象技術，多種軟件協(xié)同作業(yè)，建立自然地質條件和工程對象的幾何模型，建立幾何模型之后，再構建適用于地應力反演分析、壩體荷載、工程開挖等因素影響下壩肩穩(wěn)定性分析的三維精細有限元計算模型，得出如下結論：組合地震荷載作用下，所有楔塊安全系數(shù)均大幅下降，但仍具有一定的安全裕度；嚴瓊等[5]以山西襄汾尾礦壩2008年潰壩案例為研究背景，分別采用應力-滲流耦合和連續(xù)-離散耦合數(shù)值分析方法建立數(shù)值模型，引入浮重度參數(shù)，將壩體材料考慮為在靜水作用下的含水土體，可采用連續(xù)-離散耦合算法，其模型計算結果與潰壩成因基本一致；於正芳等[6]基于非壩體水工建筑物模型試驗的基本原理，對動態(tài)模型試驗時，考慮了模型與原型的相似關系、邊界模擬、材料選擇等問題，并對模型試驗關注的問題和重點進行了評述，為試驗提供了相應的理論依據(jù)。此外，朱強等[7]、孫從露等[8]、劉小生等[9]、于程一等[10]眾多學者對壩體泄水建筑物的穩(wěn)定性進行分析，對泄水建筑物的結構進行驗證，取得眾多研究成果。

本文結合錦凌水庫工程溢流壩結構的設計和布置情況，利用有限元數(shù)值模擬等方法對各主應力工況進行模擬分析，計算縱向和橫向應力，利用材料力學等計算方法確定抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基面應力，根據(jù)應力計算結果對溢流壩段結構穩(wěn)定性進行分析，為結構設計和施工提供了指導。

2 工程概述

溢流壩段布置于河道右岸的主河床位置，設有10個泄洪表孔，布置在②～⑩壩段上，采用開敞式孔口，主要擔負水庫泄洪任務，壩段樁號為0+579.00～0+756.50。溢洪壩泄流凈寬150.0m，總寬177.50m，單寬泄流量90.49m3/s。每孔設有弧形門控制，由壩頂門式啟閉機啟閉，弧門上游設檢修疊梁鋼閘門。

溢流壩采用WES型堰面曲線，下游直接通過半徑為25.0m的反弧曲線與挑流消能鼻坎相連。采用堰體分縫型式，單壩段長17.50m，邊壩段長10.00m，堰體分縫采用銅片止水，并沿堰面布置。溢流堰屬于高堰，定型設計水頭Hd=(0.75～0.95)Hmax。挑流鼻坎反弧半徑確定為25.0m，反弧最低點高程為35.16m。反弧段內最大流速、最大單寬流量均不是太大，因此，該工程反弧段半徑確定為25.0m，反弧最低點高程為35.16m。

3 壩體平面有限元數(shù)值模擬計算

3.1 平面有限元應力計算及分析

作為計算斷面，縱向穩(wěn)定及應力計算取58.30m高程，進行抗傾、抗滑及應力計算。沿水流方向在弧門前與牛腿鉸支座處各取一個計算斷面，根據(jù)閘門運行情況，按懸臂梁進行偏心受壓橫向應力計算。各工況主應力等值線見下頁平面有限元計算分析圖。

經(jīng)分析論證，縱向穩(wěn)定滿足要求：試驗溢流壩泄流能力在設計水位情況下較計算多4.0%，校核水位情況下較計算多1.4%。

橫向應力計算，中墩在閘門最高擋水位(61.12m)一側關閉，另一側全開的情況下，擋水側閘門前部位為關閉側0.17MPa的拉應力(開啟側0.32MPa的壓應力)。邊墩在閘門最高擋水位關閉的情況下，擋水側閘門前部位為0.19MPa的拉應力。

計算結果表明：壩體上游面最小主壓應力σmin由校核水位工況控制，壩體上游面各點的最小主壓應力(不計入揚壓力)均大于允許值；壩體最大主壓應力σmax由校核水位工況控制，出現(xiàn)在壩趾附近，其值為1.35MPa，小于混凝土壓應力2.0MPa；施工期壩體最大主壓應力σmax為0.45MPa，出現(xiàn)在壩踵附近，壩體最大主拉應力為0.02MPa，小于允許拉應力值0.2MPa。壩踵區(qū)的應力中正常水位情況最為不利，但不出現(xiàn)拉應力，不會危及帷幕安全。

3.2 溢流壩抗滑穩(wěn)定及應力計算

根據(jù)地質勘察資料，溢流壩段最低建基面高程16.00m，坐落在熔巖弱風化中部。因此，堰體整體利用材料力學法，剛體極限平衡法進行計算。抗滑穩(wěn)定計算公式：

(1)

式中K′——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

A——壩基面截面積，m2；

平面有限元計算分析圖

∑W——作用于壩體上的全部荷載對滑動平面的法向分力，kN；

J——壩基面截面積對形心軸的慣性矩，m4；

f′——壩體混凝土與壩基接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)較小值，f′=0.75MPa；

C′——壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝集力較小值，C′=0.65MPa。

壩基面應力計算公式：

(2)

式中K′——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

σy——壩踵、壩趾垂直應力，kPa；

∑M——作用于壩體上的全部荷載對滑動平面心力矩，kN·m；

J——壩基面截面積對形心軸的慣性矩，m4；

x——壩基面截面上計算點到形心軸的距離，m。

由表1和表2可知，溢流壩段抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范規(guī)定的安全值，壩鍾處無拉應力，壩址處壓應力均小于壩基容許壓應力值，結構設計滿足要求。溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范規(guī)定的安全值，結構設計滿足要求。

表1 溢流壩應力計算成果

表2 壩基深層抗滑穩(wěn)定計算結果

4 結 語

本文利用有限元數(shù)值模擬分析了溢流壩縱向和橫向應力變化，計算了縱向和橫向應力，確定了各主應力工況的應力分布，引進材料力學方法對溢流壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基面應力進行了計算，并獲得了不同荷載組合下的抗滑穩(wěn)定系數(shù)和壩基面應力，根據(jù)應力計算結果對溢流壩段結構穩(wěn)定性進行了分析。研究結果可為類似工程溢流壩結構設計和施工提供借鑒和參考。

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Analysisondamoverflowdamstructuralstresscalculationandnumericalsimulation

LIU Jia

(BeipiaoWaterConservancyPlanningSurveyandDesignInstitute;Beipiao122100,China)

The structure of the overflow dam plays an important role in the flood control of water conservancy project dams. It is very important to improve the discharge capacity of the dam. In the paper, longitudinal and lateral stress of overflow dams is calculated through finite element numerical simulation, theoretical calculation and other methods. Stress distribution laws of different main stress working conditions are studied. Material mechanics method is introduced to calculate anti-sliding stability safety coefficient and dam foundation surface stress of overflow dams under different load combinations. The structure stability of overflow dam section is qualitatively analyzed and evaluated, thereby providing data support and reference for overflow dam structure design and construction in similar projects.

dam structure; overflow dam; stress calculation; numerical simulation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.007

TV642

B

1005-4774(2017)011-0033-04