混凝土重力壩正常蓄水位工況結構安全性評價

李智高

（廣西水利科學研究院，廣西 南寧 530023）

【摘 要】結構安全性評價是水工建筑物維修與加固的關鍵環節。文章通過對典型混凝土重力壩正常蓄水位工況下變形、應力與抗滑穩定的有限元仿真分析，對該重力壩進行工程復核計算，并開展安全性評價。結果表明：該混凝土重力壩位移數值較小，混凝土應力、壩基應力和壩基抗滑穩定均滿足規范要求。

【關鍵詞】混凝土重力壩；有限元；安全評價

【中圖分類號】TV642.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）03-0109-04

0 前言

水工建筑物是抗御洪澇、干旱等自然災害的重要基礎設施[1]，對保障我國經濟社會的可持續發展至關重要。一旦水工建筑物失事，將嚴重影響工農業生產和發展，給國家和人民生命財產帶來不可估量的損失[2]。因此，對既有水工建筑物的安全性狀態進行正確評價分級，對既有水工建筑物的維修與加固具有十分重要的現實意義。目前，水工建筑物安全性評價體系包括工程現狀的調查分析、現場安全檢測、工程復核計算和安全性總體評價[3]，其中，工程復核計算結果直接指導最終的安全性評價結論，是水工建筑物安全性評價中的重要環節。

本文以一座典型的混凝土重力壩為研究對象，采用ANSYS有限元仿真分析方法[4]，對該重力壩變形應力與抗滑穩定進行綜合計算，并開展相應的安全性評價。分析結果有助于有限元仿真模擬這一先進分析方法在水工建筑物安全性評價中的應用。

1 計算模型

典型混凝土重力壩壩高27 m，有限元模型如圖1、圖2所示。模型計算范圍向上游、下游、基巖截取2倍壩高，采用六面體八節點和五面體六節點等參單元進行網格剖分，共剖分18 210個單元，其中混凝土壩體單元有10 860個，壩基單元有7 350個。混凝土單元密度取24 kN/m3，彈性模量取1.85×104 MPa，泊松比取0.167，抗壓強度取3.346 MPa；壩基單元密度取2.80 kN/m3，彈性模量取0.92×104 MPa，泊松比取0.3，容許壓應力取3.0 MPa。

2 計算工況

在正常蓄水位下，混凝土重力壩工程復核計算應考慮壩體自重、正常蓄水位靜水壓力、相應的揚壓力及浪壓力[5]，在ANSYS仿真分析中各荷載計算如下。

2.1 壩體自重

通過設置豎向重力加速度和混凝土密度，由ANSYS自主計算，以體力形式施加到壩體單元上。

2.2 靜水壓力

規范規定，垂直作用于壩體表面某點的靜水壓強計算公式如下：

Pw=γw H（1）

公式（1）中：Pw為計算點處的靜水壓強；γw為水的重度；H為計算點處的作用水頭。

在ANSYS仿真分析中，靜水壓力以面力形式施加到壩體單元上。

2.3 揚壓力

由于實際工程中混凝土重力壩段常設置防滲帷幕和排水設施，故揚壓力在排水孔處進行折減計算。壩底面上游（壩踵）處的揚壓力作用水頭為H1，排水孔中心線處為H2+α（H1-H2），下游（壩址）處為H2，其間各段依次以直線連接，滲透壓力強度系數α由《混凝土重力壩設計規范》（SL 319—2005）[5]中的“表B.3.1”查得，計算簡圖如圖3所示。

在ANSYS仿真分析中，揚壓力以面力形式施加到壩體底部單元。

2.4 浪壓力

單位長度迎水面上的波浪力Pwk：

（2）

（3）

（4）

在ANSYS仿真分析中，浪壓力以集中力形式施加到壩體單元上。

3 結果分析

3.1 位移、應力分析

混凝土重力位移、應力云圖如圖4所示。計算結果分析如下。

（1）混凝土重力壩在正常蓄水位下順水流均為向下游位移，隨壩高增加而逐漸增加，最大順水流位移出現在壩頂，豎向位移均為向下位移，隨壩高增加而逐漸減小，在壩踵處最小，符合重力壩壩體位移分布的一般規律。壩頂順河向最大位移為0.824 mm，豎直向最大位移為0.902 mm，位移數值均不大。

（2）混凝土重力壩在正常蓄水位下，壩踵處豎向應力均為壓應力，未出現拉應力，滿足規范要求；壩趾處壓應力最大值為-1.05 MPa，小于壩基容許壓應力，滿足規范要求。

（3）考慮揚壓力，壩體部位上游面的豎向應力均為壓應力，未出現拉應力，滿足規范要求；壩體最大主壓應力較小，最大值為-0.48 MPa，小于混凝土的允許壓應力值，滿足規范要求。

（4）混凝土重力壩壩基面及壩體第一主應力在壩踵處出現拉應力，拉應力水平不高，小于混凝土抗拉強度，且拉應力區長度在1.4 m以內，小于允許的計算截面寬度的7%。同時，第三主應力在壩址處為壓應力，壓應力水平不高，小于基巖容許壓應力，滿足規范要求。

3.2 抗滑穩定分析

分別采用抗剪斷公式和抗剪公式對混凝土重力壩壩基面進行抗滑穩定分析，相應的計算公式如下：

（5）

（6）

式中：K'為抗剪斷計算的抗滑穩定安全系數；K為抗剪計算的抗滑穩定安全系數；f '為滑動面上的抗剪斷摩擦系數；f為滑動面上的抗剪摩擦系數；∑P為滑動力，所有荷載水平分力之和；G為作用于計算截面以上壩體的全部垂直向荷載（包括揚壓力）；c'為抗剪斷凝聚力；A為單位寬度壩基面積。

參照類似工程，混凝土與壩基接觸面之間的力學參數范圍如下：c'=1.30～1.10 MPa，f '=1.30～1.10，f=0.65～0.75。本文取c'=1.10 MPa，f '=1.10，f=0.70進行重力壩壩基抗滑穩定驗算。計算結果（見表1）表明，壩基抗滑穩定性和安全性滿足規范要求。

4 小結

本文采用ANSYS有限元分析方法從壩體變形及抗滑穩定方面對重力壩進行安全評價，驗證設計階段壩體的安全性和可靠性，同時為進一步優化大壩結構的設計提供依據。

在實際工程中應借助有限元分析方法，通過建模對壩體變形應力與抗滑穩定進行安全性評價，并依據評價結果優化設計，以達到運用于實際工程的效果。

參 考 文 獻

[1]潘家錚.重力壩設計[M].北京：水利電力出版社，1987.

[2]米文靜.混凝土重力壩防洪安全復核方法的研究[D].西安：西北農林科技大學，2013.

[3]聶廣明.重力壩結構安全評價[J].大壩與安全，2015（1）：27-32.

[4]宋光明.某混凝土重力壩有限元靜動力分析[D].昆明：昆明理工大學，2015.

[5]SL 319—2005，混凝土重力壩設計規范[S].

[責任編輯：陳澤琦]