混凝土重力壩泄洪孔底板有限元分析研究

潘廣良

(方正縣河湖運行保障中心，黑龍江 方正 150800)

0 前 言

混凝土壩常用泄洪方式為壩身孔口泄洪，該方式對結(jié)構(gòu)整體性造成影響，應(yīng)力集中也給壩體安全運行帶來一定壓力。文章結(jié)合實際重力壩工程，建立泄洪底孔底板及側(cè)壁的三維有限元模型，計算不同工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形結(jié)果，分析其分布變化規(guī)律，成果可為同類工程穩(wěn)定性分析提供一定指導意義。

1 概 述

混凝土壩一般利用泄水和擋水建筑物聯(lián)合泄洪，因其顯著結(jié)構(gòu)特點在大壩設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。泄水方式主要分為表面溢流式和深式泄流式，前者泄流能力大，超泄能力突出，設(shè)計時可優(yōu)先考慮。后者因進水口在水面線下，放水條件與靈活性優(yōu)越，有效增強水庫利用率。壩身開孔通常會帶來大壩應(yīng)力場變化，應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，部分區(qū)域產(chǎn)生較高拉應(yīng)力[1]。因此應(yīng)著重計算分析孔洞附件壩身的的應(yīng)力狀態(tài)。

2 混凝土應(yīng)力有限單元法[2]

在有限元原理中，相互作用力下的結(jié)點力和結(jié)點荷載可保持平衡，方程式為：

(1)

式中：Fi為結(jié)點力；Ri為結(jié)點荷載。

設(shè)某n點結(jié)點單元受集中荷載P作用，若單元發(fā)生虛位移，各結(jié)點虛位移為{δ}e，單元內(nèi)任意一點的虛位移為{f}，則由位移模式可得：

{f}=[N]{δ}e

(2)

基于靜力等效原理，虛位移中的原荷載和單元結(jié)點荷載值相等，則

({δ}e)T{R}e={r}T{P}

(3)

消去{δ}e可得

{R}e=[N]T{P}

(4)

對面力{P}dxdy積分，且當做集中荷載P，可得：

(5)

經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，將平衡方程集合，可得整個結(jié)構(gòu)的平衡方程式：

[K]{δ}={R}

(6)

由平衡方程組式解出位移{δ}后,可得單元應(yīng)變和應(yīng)力。

3 工程實例

3.1 工程概況

某水電站位于甘肅省境內(nèi)，工程規(guī)模為中型Ⅲ等。水庫正常蓄水位1748.00m，可調(diào)節(jié)庫容為0.44億m3，電站總裝機240MW，多年平均發(fā)電量10.2億kWh。建筑物主要包括重力壩、泄洪表孔、排沙底孔、廠房等，最大壩高59.0m[3]。泄洪底孔為8.0m×8.0m有壓，布置在河道右岸。

3.2 計算參數(shù)

混凝土強度及彈性模量，見表1。

表1 混凝土強度及彈性模量表

3.3 有限元模型

計算模型為泄水底孔壩段，模型選取壩基巖體、上下游各取1倍的壩高。模型采用8節(jié)點六面體SOLID45單元模擬，板用殼SHELL93單元模擬[4]，模型共模擬單元數(shù)69724，節(jié)點28710。泄洪孔底混凝土板及側(cè)壁，見圖1。

圖1 泄洪孔底混凝土板及側(cè)壁

邊界條件：壩基為三向約束，壩體上下游及左右邊界為法向鏈桿約束[5]。

3.4 計算結(jié)果

計算工況：

工況1：大壩在建：壩體自重。

工況2：正常運行：自重+外水壓力+內(nèi)水壓力+泥沙壓力+浪壓力+弧門推力+門機輪壓。

工況3：檢修狀況：自重+外水壓力+內(nèi)水壓力+泥沙壓力+浪壓力+側(cè)向外水壓力。

泄洪孔底板側(cè)壁應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，見表2；位移變形結(jié)果，見表3。

表2 泄洪孔底板及側(cè)壁應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果

表3 泄洪孔底板及側(cè)壁位移變形結(jié)果

從表2-3可得，工況1產(chǎn)生三向最大拉應(yīng)力，工況2和工況3應(yīng)力值較小，分析因揚壓力作用，泄洪孔底板和壩體基巖接觸面承受荷載變形，該結(jié)構(gòu)的受力方式發(fā)生變化。為進一步分析泄洪孔應(yīng)力變形致因荷載，選取泄洪孔底板剖面，泄洪孔底板和側(cè)壁選取剖面，見表4。

表4 泄洪孔底板和側(cè)壁選取剖面

1#剖面X方向正應(yīng)力sx，見圖2；1#剖面Y方向正應(yīng)力y，見圖3；1#剖面Z方向正應(yīng)力z，見圖4；2#剖面X方向正應(yīng)力sx，見圖5；2#剖面Y方向正應(yīng)力y，見圖6；4#剖面Z方向正應(yīng)力z，見圖7。

圖2 1#剖面X方向正應(yīng)力sx

圖3 1#剖面Y方向正應(yīng)力y

圖4 1#剖面Z方向正應(yīng)力z

圖5 2#剖面X方向正應(yīng)力sx

圖6 2#剖面Y方向正應(yīng)力y

圖7 4#剖面Z方向正應(yīng)力z

由上述結(jié)果可得出，順河向出現(xiàn)最大正應(yīng)力1.552MPa(工況1)，位置在灌漿廊道底部，分析是因為壩體自重產(chǎn)生較大應(yīng)力集中。豎向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在灌漿廊道拱頂，最大值2.058MPa(工況1)，壓應(yīng)力最值基本都在壩體基巖接觸位置，最值均<3.5MPa，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

文章通過對某重力壩泄洪孔底板的應(yīng)力變形計算，分析不同工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形，結(jié)合不同剖面典型分析應(yīng)變分布規(guī)律，結(jié)果表明泄洪孔壩體與基巖基巖接觸部位產(chǎn)生較大拉、壓應(yīng)力，區(qū)域應(yīng)力集中造成結(jié)構(gòu)變化，對泄洪孔安全穩(wěn)定造成一定影響，在施工開挖應(yīng)減少擾動，保證施工平順。