基于ANSYS 的某溢流雙曲拱壩應力分析

黃德才 丁澤霖

（1.貴州省黔西南州望謨縣水利局，貴州望謨 552300;2.華北水利水電學院，河南鄭州 450011）

基于ANSYS 的某溢流雙曲拱壩應力分析

黃德才1丁澤霖2

（1.貴州省黔西南州望謨縣水利局，貴州望謨 552300;2.華北水利水電學院，河南鄭州 450011）

基于三維有限元計算軟件ANSYS對某混凝土雙曲拱壩壩體應力分析，通過分析得出，拱壩最大位移發生在壩體表孔位置，但是壩頂開設表孔對壩體應力的影響是局部的，主要集中在孔口周邊，而對壩體下部幾乎沒有影響，并總結規律，為工程設計、施工和加固處理提供了重要科學依據。

水工結構，應力分析，有限元，拱壩

1 概述

拱壩由于其經濟性、安全性、抗超載能力強等優越性，在現代水利水電工程中越來越多的被采用，而且隨著現代工程經驗的不斷積累和科技水平的進步，拱壩向著壩型更薄、壩體更高的方向發展［1］。由于拱壩主要是依靠左右壩肩山體的支撐來維持穩定，拱壩壩身強度直接決定工程的正常運行和安全性。由于拱壩通常采用表、深孔聯合泄流的形式，破壞了拱圈的連續性，影響拱壩整體的應力變形規律［2，3］，因此，為了保證高拱壩工程的穩定和安全性，有必要針對高拱壩表孔對壩體應力變形的影響問題進行研究，有限元法是解決上述問題的重要途徑之一［4］。

ANSYS是目前應用最為廣泛的大型通用有限元軟件，其在大壩、橋梁、隧道及房屋建筑等土木工程中得到了最為廣泛的運用，是目前世界上唯一通過ISO 9001認證的有限元軟件［5］。因此，分析選用該軟件來對拱壩進行有限元靜力分析。本文以某高拱壩壩體應力分析為研究對象，采用非線性有限元的ANSYS軟件分析表孔影響下拱壩壩體應力分布情況，為工程設計、施工和加固處理提供了重要科學依據。

2 工程概述

某水電站攔河大壩為拋物線雙曲拱壩，壩頂表孔溢洪道，壩頂高程507.0 m，壩底高程417.0 m，最大壩高90 m，壩頂寬5 m，壩底寬17.5 m，采用壩頂溢流，溢流段布置在壩中部，堰頂高程500 m，溢流凈寬24 m，自由跌落水墊消能。拱壩體型如圖1，圖2所示。壩體材料為R200混凝土，容重2.4 t/m3，彈模2.8E6，泊松比0.167，線膨脹系數9×10－6/℃，導溫系數3m2/月，多年平均氣溫19.1℃。壩基巖體容重2.7 t/m3，彈模1.8E6，泊松比0.27，線膨脹系數10×10－6/℃，導溫系數3 m2/月。

圖1 整體三維有限元網格全視圖

3 有限元模型的建立

在有限元計算中，建模時作了一定的簡化，考慮了溢流堰的開口形式，模型的單元剖分在ANSYS軟件中進行，壩體采用Solid65單元，巖體采用Solid45單元。型兩岸邊界垂直河向約束，底面為三向固定約束，上、下游邊界順河向約束。計算中采用的直角坐標為:X軸方向與水流方向垂直，以向左岸為正;Y軸方向平行水流方向，以向下游為正;高度方向為Z軸方向，向上為正，壩前、壩后、左右岸拱端及底部地基取1倍壩高左右。整體三維有限元網格圖、壩體有限元網格圖分別如圖1，圖2所示。

圖2 壩體三維有限元網格下游立視圖

4 計算結果分析

4.1 變形分析

壩體上部位移大于下部位移，表孔處位移大于拱端位移，拱冠上部位移大于下部位移，徑向位移大于切向位移。壩體位移總體上對稱性較好。壩體徑向變位整體趨向下游，其中，最大位移為1 cm，發生在溢流堰頂區域，如圖3所示。

圖3 下游壩面Y方向位移等值線圖

4.2 應力分析

在孔口局部應力集中現象十分明顯，上、下游的孔口周邊均出現小范圍的拉應力，但對壩體影響不大。壩體上、下游壩面主應力分布均近于對稱。壩體下游面各種正應力基本均為壓應力，最大主壓應力出現在下游壩面419 m高程壩趾處，為7.36 MPa;壩體上游面部分為較小壓應力，拉應力主要分布在上游壩面的拱端與基巖接觸區，最大主拉應力為1.17 MPa，在463.875 m高程上游面左拱端處，上、下游應力第一主應力分布圖如圖4，圖5所示。

圖4 上游壩面第一主應力等值線圖

圖5 下游壩面第一主應力等值線圖

5 結語

文章采用ANSYS的三維有限元建模，針對高拱壩壩頂開設大表孔泄水對壩體應力變形的影響問題進行研究，分析了拱壩在荷載作用下各個部位的應力分布狀況，主要分析結論可歸納如下:

1）壩體整體的變形趨勢是向下游方向，最大位移為1 cm，發生在溢流堰頂區域;

2）拱壩表孔處局部應力集中現象十分明顯，上、下游的孔口周邊均出現小范圍的拉應力，但對壩體影響不大。

［1］潘家錚，何璟.中國大壩50年［M］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［2］朱伯芳.拱壩設計與研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［3］鄒爽，李小可.大表孔拱壩應力分析［J］.貴州水力發電，2007，21（3）：44-46.

［4］劉先珊，周創兵，王軍.復雜條件下高拱壩應力及壩肩穩定分析［J］.巖土力學，2008，29（1）：225-229.

［5］張朝暉.ANSYS 11.0有限元分析理論與工程應用［M］.北京：電子工業出版社，2008.

Stress analysis on an overflow hyperbolic arch dam based on ANSYS

HUANG De-cai1DING Ze-lin2

（1.Water Conservancy Bureau ofWangmo County，Southwest Qian of Guizhou Province，Wangmo 552300，China; 2.North China University ofWater Resources and Electric Power，Zhengzhou 450011，China）

This papermade stress analysis on a concrete hyperbolic arch dam based on three-dimensional finite element calculation software ANSYS，through the analysis gained，the largestdisplacementofarch dam occurred in the surface hole position of dam，but the influence ofopening surface holes in dam head to dam stresswere local，mainly concentrated in the outlets circum，had almostno effect to the dam.And summarized the laws，provided important scientific basis to engineering design，construction and reinforcement treatment.

hydraulic structure，stress analysis，finite element，arch dam

TV541

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.063

1009-6825（2012）19-0249-02

2012-05-03

黃德才（1971-），男，工程師