基于ANSYS的重力壩泄洪洞有限元分析

黃 娟，孫建生

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

水庫泄洪排沙洞，起著減小水庫泥沙淤積，延長使用壽命，保證輸水管進口不被泥沙淤積的作用。泄洪洞的存在使壩體應力分布發生變化，周邊產生應力集中現象，其應力應變分析在大壩整體分析中占重要部分。文章結合清峪水庫工程，采用ANSYS有限元軟件對重力壩進行建模分析，以期得到泄洪洞周邊應力分布規律，為工程設計提供了依據。

1 建立模型

1.1 工程概況

清峪水庫是一座以城鎮生活及工業供水為主，兼農業灌溉的小型水庫，位于臨汾市鄉寧縣城西13 km處鄂河干流清川河口處。水庫總庫容233萬m3，?。ㄒ唬┬退こ?，大壩設計洪水為30年一遇，最高壩高42.58 m。樞紐建筑物包括：非溢流擋水重力壩段，溢流重力壩段，泄洪排沙底洞和城鎮生活及工業輸水管進水口壩段，右壩肩混凝土刺墻加土壩段。泄洪排沙壩段長為18 m，底板高程為832.0 m，孔口高度尺寸為4×4 m，壩體內部設置有廊道和閘門井。

1.2 建模

在此問題中，涉及到壩基和壩體兩個部分，其中，壩體為混凝土，壩基為不同類別的圍巖體。文章采用的是彈線性模型，壩基采用三維實體8節點Solid45單元，壩體則采用ANSYS專門的混凝土單元SOLID65進行模擬分析。單元采用自由網格方式進行劃分，孔洞表面設置單元長度為0.4 m，廊道和閘門0.5 m，壩體其余部分為1.0 m，壩體與壩基接觸面為1.0 m，壩基其余部分為1.5 m，最終壩體生成282 412個單元，壩基生成了126 686個單元。見圖1、圖2。

圖1 泄洪壩段三維模型

圖2 網格劃分圖

1.3 計算參數

文章考慮了空庫和工作兩種狀態，空庫狀態只考慮自重應力和邊界條件，即施工完成時的狀態；工作狀態（設計水位），即在空庫狀態下增加水壓力和泥沙壓力。

根據工程地質報告和壩體材料物理力學指標，有關力學參數見表1。

表1 結構參數

2 計算結果及分析

本壩為混凝土重力壩，大壩受自身重力的影響很大，空庫狀態即大壩建成以后，只受重力所引起的應力應變狀態。

2.1 位移變化規律

從上游往下游看，選擇泄洪洞左下角節點，依次經過排沙泄洪洞周圍各節點，經過上邊界，右邊界、下邊界，最后回到左下角節點，據此定義路徑，分析泄洪洞周邊應力應變。

空庫狀態，見圖3、圖4。

圖3 泄洪洞空庫總位移云圖

圖4 泄洪洞空庫位移曲線圖

由于受重力影響，大壩整體下沉，沿著水流方向，并且在豎直方向上從上到下，位移逐漸減小，最大位移出現在大壩上部，為0.002 737 m，泄洪洞周邊位移值變化比較均勻，也是從上到下逐漸遞減。X軸和Z軸有少量位移，變化不大，Y軸變化幅度相對來說比較大，最大值為0.00 248 m。

工作狀態，見圖5、圖6。

圖5 泄洪洞工作狀態總位移云圖

圖6 泄洪洞工作狀態位移曲線圖

圖9 泄洪洞工作狀態等效應力云圖

圖10 泄洪洞工作狀態等效應力曲線圖

在工作狀態下的位移值也是從上到下逐漸遞減，泄洪洞附近從上游向下游,位移逐漸變小,最大位移值為0.002 595 m，出現在壩體上半部分到泄洪洞底部。相較于空庫狀態，由于受力增多，泄洪洞部分的位移變大。

2.2 應力變化規律

圖7 泄洪洞空庫等效應力云圖

圖8 泄洪洞空庫等效應力曲線圖

由圖7可知，空庫狀態下的應力主要集中在泄洪洞進水口底板和壩趾處，大壩迎水面應力較大，泄洪洞從上游往下，應力逐漸變小，在入口和與豎井交匯處應力最大，進水口底板出現應力集中現象。由圖8可以看出，泄洪洞周圍的應力分布不均勻，變化量大，最小值出現在洞口上邊界，約為120 kPa，最大值出現在洞口左右邊界靠下的位置，為1 320 kPa，整體是從洞頂到地板，逐漸增大。

由圖9可知，泄洪洞內應力分布大體仍然是從上游往下，逐漸變小，在入口和與豎井交匯處應力最大。由圖10可以看出，洞口應力從上至下逐漸增大，洞口上邊界的最小值約為 1 900 kPa，地板附近出現最大值為7 012 kPa。

3 結論

（1）排沙泄洪洞是大壩中的一個重要組成部分，其的存在使得大壩整體的應力分布發生變化，ANSYS利用數值模擬分析，考慮了泄洪洞在壩體中的不對稱性和地基的影響，計算結果接近實際，可為工程配筋設計提供依據。

（2）泄洪洞進水口底板和大壩壩趾處應力較大，容易出現應力集中現象，所以這兩處對材料的要求較高。泄洪洞從上游往下，應力逐漸變小，在與豎井的交匯處結構復雜，應力增大，應注意其相關設計。

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