高椅重力壩設(shè)計(jì)水位時(shí)有限元分析

程 露，葉 永

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 工程概況

高椅水利樞紐工程位于湖南省懷化市會(huì)同縣高椅鄉(xiāng)境內(nèi)，地處沅水一級(jí)支流巫水中下游，是一座以發(fā)電為主，兼顧灌溉、航運(yùn)等綜合效益的水利工程。工程等別為III等，工程規(guī)模為中型，水庫(kù)總庫(kù)容0.354×108m3。該樞紐河床段共布置有7孔重力閘壩，閘壩右側(cè)采用非溢流壩型式與右岸相接，左側(cè)與廠房相接。閘壩為開(kāi)敞式WES實(shí)用堰，閘孔尺寸為12 m×10 m(寬×高)，堰頂高程為201.00 m，大壩壩頂高程216.10 m，壩頂長(zhǎng)度為216.68 m，最大壩高27.6 m，壩基最低高程為193.82 m，壩頂寬度為6.0 m，壩底最大寬度為13.07 m。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算基本假定：壩體和壩基連續(xù)，壩體和壩基的材料是均勻的，基巖模型采用線彈性本構(gòu)模型[1]。模型采用三維網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析。本文只針對(duì)右岸非溢流壩段樁0+201.61斷面壩段進(jìn)行分析。壩體采用SOLID65單元，地基采用SOLID45單元進(jìn)行有限元建模，單元類(lèi)型為8節(jié)點(diǎn)等參單元[2]。有限元模型采用掃掠網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為19 773，節(jié)點(diǎn)數(shù)為23 674。其具體模型見(jiàn)圖 1。仿真計(jì)算包括模型上下游表面和側(cè)面法向約束，底面施加全約束；主要荷載包括壩體自重、上下游水壓力、揚(yáng)壓力、泥沙壓力等。各種荷載均按規(guī)范規(guī)定荷載計(jì)算公式[3]計(jì)算。

圖1 混凝土重力壩三維有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)初步設(shè)計(jì)文件提供資料分析，壩體及地基的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩體及基巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

大壩在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，壩前水位一般不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)蓄水位，故本文選取設(shè)計(jì)蓄水位進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)蓄水位上游水位211.0 m，下游無(wú)水。

3 模型驗(yàn)證及應(yīng)力分析

3.1 位移監(jiān)測(cè)資料

高椅大壩壩面設(shè)置混凝土觀測(cè)墩，采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行水平位移觀測(cè)和精密水準(zhǔn)法進(jìn)行垂直位移觀測(cè)。觀測(cè)點(diǎn)BM08GY、BM09GY位于有限元分析的壩段上，觀測(cè)點(diǎn)的多年平均水平位移和垂直位移分別為2.06和0.785 mm。圖2為高椅大壩近4年的監(jiān)測(cè)曲線圖。

圖2 高椅大壩監(jiān)測(cè)曲線

3.2 有限元模型驗(yàn)證

結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果與高椅大壩的監(jiān)測(cè)資料可知，有限元計(jì)算的水平位移與垂直位移吻合較好，大壩在實(shí)際運(yùn)行中壩踵處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是其最大拉應(yīng)力值都小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，故高椅大壩是安全的。表2為有限元計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)資料整理結(jié)果。通過(guò)ANSYS后處理器可以查看重力壩的整體變形和應(yīng)力云圖。

表2 有限元分析計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3和圖4分別為該壩段設(shè)計(jì)蓄水位工況下的水平向位移云圖和豎直向位移云圖。由圖3和圖4可見(jiàn)，壩段水平向位移由壩頂部向底部逐漸減小，最大位移在壩頂處，其最大值為1.818 mm；豎直向位移由上游側(cè)向下游側(cè)逐漸減小，最大位移在壩頂靠近上游側(cè)，其最大值為0.512 mm。

圖3 水平向位移云圖

圖4 豎直向位移云圖

3.3 有限元應(yīng)力分析及安全復(fù)核

重力壩的應(yīng)力理論分析通常取單寬壩段，簡(jiǎn)化成平面應(yīng)力狀態(tài)模型，采用材料力學(xué)法、彈性理論解析法、有限元法等方法進(jìn)行分析[4-5]。本文采用三維線彈性有限元法對(duì)該壩段進(jìn)行應(yīng)力分析。有限元計(jì)算的結(jié)果表明，大壩在實(shí)際運(yùn)行中壩踵處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是其最大拉應(yīng)力值都小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，故高椅大壩是安全的。有限元計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)資料整理結(jié)果見(jiàn)表2。

該壩段的第一和第三主應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖5、圖6。在壩踵處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且在地基出現(xiàn)拉應(yīng)力，但是衰減很快。其中，大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)最大值為1.14 MPa；小主應(yīng)力(拉應(yīng)力)最大值為0.237 MPa，均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度1.43 MPa；大主應(yīng)力(壓應(yīng)力)的最小值為-0.132 MPa，小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)的最小值為-0.618 MPa，均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度。該拉應(yīng)力出現(xiàn)的主要原因是混凝土重力壩在水壓力和自身重力的作用下在內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力作用較小。依據(jù)重力壩自身的特性，由于重力壩外部的混凝土的彈性模量越大，則使得混凝土壩在壩踵處越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 第一主應(yīng)力云圖

圖6 第三主應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

本文利用ANSYS有限元軟件，建立高椅大壩部分壩段的有限元模型。通過(guò)模型分析壩段在設(shè)計(jì)蓄水位的壩體變形及應(yīng)力分布，對(duì)高椅大壩進(jìn)行安全復(fù)核。仿真分析的結(jié)果與大壩實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)值吻合較好。根據(jù)分析結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1) 通過(guò)位移計(jì)算驗(yàn)證有限元法模型的正確性。計(jì)算得到壩體的最大變形出現(xiàn)在壩頂位置，水平位移的最大值為1.818 mm，壩體垂直向最大位移為0.512 mm；大壩運(yùn)行期間歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多年平均水平位移為2.06 mm，垂直向位移為0.785 mm。有限元計(jì)算結(jié)果與大壩運(yùn)行期間歷年的監(jiān)測(cè)結(jié)果平均值吻合較好，故大壩是安全的。

2) 進(jìn)行了壩體的安全復(fù)核。在設(shè)計(jì)蓄水位運(yùn)行期間，其拉應(yīng)力主要集中在壩踵位置，最大拉應(yīng)力值小于混凝土的抗拉強(qiáng)度大壩，故大壩是安全可靠的。