基于ANSYS對豐滿水電站溢流壩邊墩靜力研究分析

尹洪強，蘇奕康，張 鵬

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

1 工程簡介

豐滿水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，位于吉林省吉林市第二松花江干流上，該電站樞紐工程以發電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業供水、養殖和旅游等綜合利用。工程為Ⅰ等大（1）型工程，大壩設計洪水標準為500 一遇，校核洪水位為萬年一遇。水庫正常蓄水位為263.50 m，總庫容103 億m3，電站裝機容量為1 480 MW。

溢流壩設計洪水位268.20 m，正常蓄水位263.50 m。由于文章篇幅限制，僅對完建工況（施工期）計算分析。此工況下荷載組合為自重+預應力（超張拉控制力），重力加速度9.81 m/s2，巖石在自重作用下存在初始地應力，但變形在壩體建成前已經完成，后期壩基以及壩體的變形和應力只跟壩體重量以及作用于大壩上的荷載有關，因此，壩基巖石容重取零，即只考慮后期荷載施加產生的變形，不計初始地應力。預應力錨索[1]預主錨索永久噸位3 200 kN，次錨索永久噸位2 400 kN。

2 計算模型

2.1 模型建立

1）模型范圍。選取壩段左岸邊墩，壩段長18 m，邊墩錨塊厚4 m，有限元計算模型壩基在上下游延伸150 m，深度方向上延伸100 m。三維有限元[2-4]壩體有限元網格剖分詳見圖1。

2）總體坐標。 X 坐標為順河向，指向下游為正；Y 坐標為豎向，指向上為正；Z 坐標為橫河向，指向右岸為正。

3）約束。壩體碾壓混凝土側面施加法向約束，基巖側面施加法向約束，底面基巖全約束。

4）壩體、壩基均采用Soilid45 單元，采用六面體網格。

圖1 溢流壩壩體有限元模型

2.2 材料計算參數

閘墩混凝土設計標號為C35 F300 W6，錨塊混凝土設計標號為C40 F300，其力學參數如表1所示。

3 計算結果及分析

3.1 錨索布置方式比選

考慮2 種錨索布置方式：

表1 混凝土材料參數[5]

方案一：弧門推力側布置8 根主錨索，見圖2。

方案二：弧門推力側布置8 根主錨索，非推力側布置3 根主錨索，見圖3

為了后處理方便，定義局部坐標系，X 坐標沿弧門推力方向指向下游側為正，Y 坐標由右岸指向左岸正，Z 坐標垂直向上為正。為詳細查看閘墩頸部法向應力的變化，定義3 條應力路徑，L1，L2，L3分別為左岸至右岸方向不同高程上應力路徑。

圖2 方案1 閘墩頸向法向應力沿3 條路徑分布圖

方案一：閘墩頸部非推力側最大法向拉應力均較大，最大值達3.49 MPa，見表2。

表2 閘墩頸部非推力側最大法向拉應力對比/GPa

方案二：閘墩頸部非推力側最大法向拉應力明顯減小，路徑L2 上最大拉應力為1.29 MPa，混凝土拉應力區范圍為0.2 m，最大拉應力未超過C20 混凝土抗拉強度2.40 MPa，路徑L1，L3 上閘墩頸部非推力側均為壓應力，見表2。

采用方案二的錨索布置形式。

3.2 錨固槽位置的應力分析

為查看錨固槽位置的應力分布情況，定義路徑L4，L5，L6，L7，L8，L9，其路徑如圖4所示，各路徑a，b，c表示各路徑的Z 坐標分別為-2，0，2。利用有限元計算，繪制各路徑下切向應力圖和切向應力沿路徑積分圖，得出錨固槽周邊應力匯總如表3。

圖4 預留錨固槽處應力路徑定義

通過計算以上18 種不同路徑，得出最大拉應力時沿路徑L5b 路徑，拉應力值最大值964.0 kN。偏于安全考慮，不計混凝土拉應力，在錨固槽配筋計算時選用取最大拉應力合力T =964.0 kN 計算配筋為宜。

表3 預留錨固槽周邊應力匯總

4 結論

綜上，通過對2 種錨索布置方案比較，弧門推力側布置8 根主錨索、非推力側布置3 根主錨索方案可以明顯減少閘墩頸部非推力側拉應力，錨索布置方案合理。對錨固槽位置的應力分布分析，多種不同路徑應力比較，篩選出最大應力，為錨固槽配筋計算提供依據。