橡膠壩壩底板承載力變化的數值模擬

費強　苑鵬

（遼寧省大伙房水庫管理局　遼寧　撫順　113000）

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橡膠壩壩底板承載力變化的數值模擬

費強苑鵬

（遼寧省大伙房水庫管理局遼寧撫順113000）

摘要本文以實際工程橡膠壩底板為分析對象，建立壩底板數值模型，采用ANSYS有限元分析軟件模擬了橡膠壩底板的承載變化情況，分析了壩底板在危險工況下的位移場和應力場，以及壩底板齒墻尺寸的改變對該結構應力和位移分布的影響，根據數值模擬結果，壩底板厚度為0.7m時，各項條件符合設計標準，與實際工程情況相接近，模擬效果較好，可為類似水工結構的優化設計提供理論依據。

關鍵詞橡膠壩；數值模擬；ANSYS；承載力；力學分析

橡膠壩工程壩底板承載著其上壩袋內外的水重和水壓的荷載，并將承受的荷載傳向地基，壩底板必須具有足夠的堅固性、整體性、抗滲性、耐久性。隨著實驗手段和測試方法的進步，人們對此進行了大量的實驗研究，探討了壩底板荷載，為進一步建立相應的力學模型奠定了基礎。但是對于影響因素復雜的建筑物，采用試驗模擬成本太高、周期太長、難以通過改變試驗參數進行設計及優化，而且許多復雜情況無法用試驗進行模擬。因此普遍采用的方法是數值分析技術即計算機仿真，其中有限單元法是最有效地數值計算方法之一，最為普遍。數值分析對于模擬諸如大壩、水電站蝸殼、渡槽、導管平臺以及孔閘等建筑物的力學行為具有強大的優勢，可以對這些結構的穩定性和應力狀態進行分析計算，并且可以進行防滲計算。在計算中可以考慮水壓力、淤砂壓力、溫度場、滲流場、重力場作用，可模擬砼裂縫的形態和發展過程。在本文中，以橡膠壩的壩底板為分析對象，采用ANSYS有限元分析軟件對壩底板在危險工況下的位移場和應力場進行了數值模擬，并對數值模擬結果進行了分析，實現對橡膠壩壩底板的結構形式優化，為類似水工結構的優化設計提供方法和理論依據。

1　數值模型建立

1.1基本假定

（1）假定壩底板材料滿足連續性、均勻性、各向同性，且在小變形條件下工作。

（2）壩底板結構簡化為平面應變問題。

根據彈性力學理論，平面應變問題是指具有很長的縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸線長度不變；作用外力與縱向軸垂直，并且沿長度方向保持不變；柱體的兩端受固定約束的彈性體。這種彈性體的位移將發生在橫截面內，可以簡化為二維問題。

1.2計算區域

壩底板簡化成平面應變問題后，有限元計算區域取壩底板的橫截面，計算區域和網格劃分如圖1。

1.3荷載及邊界條件

作用在壩底板上的荷載可分為基本荷載和特殊荷載兩類，本次按基本荷載的正常擋水情況設計，只考慮了底板自重、靜水壓力、揚壓力、基底壓力等荷載，不考慮浪壓力和地震荷載。荷載計算見表1。

由于壩底板是固定在河床內的，所以其上、下游以及齒墻下端的約束是固定約束邊界。

1.4計算參數

計算結果如表2所示。

圖1　壩底板橫截面圖(單位：mm)

表1　設計洪水位載荷計算

表2　計算參數

1.5單元選擇和網格劃分

(1)單元類型

由于壩體兩端固定，只有x、y方向的應變，故可以簡化成平面應變問題進行分析。對于平面應變問題，工程中常用的平面單元，plane單元：用于建立2維實體結構模型。本單元既可用作平面單元，也可以用作軸對稱單元。本單元有4個節點，每個節點有2個自由度，分別為x和y方向的平移。本單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應力剛度、大位移以及大應變的能力，并有一個選項可以支持額外的位移形狀。本次分析建立模型采用plane42平面單元，采用自底向上的建模方法。

(2)網格劃分

采用自由網格劃分，即無單元性狀限制，網格也不遵循任何模式，適合于復雜形狀的面和體劃分。

2　數值模擬結果

根據對壩底板的力學分析，對壩底板進行模擬分析。根據壩底板厚度變化，找出危險區域的變化趨勢，從而選出最適合厚度。

2.1不同厚度壩底板應力分布

圖1　危險點處主應力隨壩底板厚度變化圖

厚度為0.8m壩底板的三個主應力分布，第一主應力σ1最大值發生在距離上游端6.5m，大小為0.488×107Pa；第二主應力σ2最大值發生在距離上游端6.5m，大小為0.094× 107Pa；第三主應力σ3最大值發生在距離上游端1.1m，大小為0.407×107Pa。

厚度為0.7m壩底板的三個主應力分布，第一主應力σ1最大值發生在距離上游端6.5m，大小為0.735×107Pa；第二主應力σ2最大值發生在距離上游端6.5m，大小為0.128× 107Pa；第三主應力σ3最大值發生在距離上游端6.5m，大小為0.516×107Pa。

厚度為0.6m壩底板的三個主應力分布，第一主應力σ1最大值發生在距離上游端6.5m，大小為1.26×107Pa；第二主應力σ2最大值發生在距離上游端6.5m，大小為0.313× 107Pa；第三主應力σ3最大值發生在距離上游端6.5m，大小為0.924×107Pa。

厚度為0.5m壩底板的三個主應力分布，第一主應力σ1最大值發生在距離上游端1.2m，大小為0.957×107Pa；第二主應力σ2最大值發生在距離上游端6.5m，大小為0.285× 107Pa；第三主應力σ3最大值發生在距離上游端4m，大小為1.08×107Pa。

2.2不同厚度壩底板的u和v位移

圖2　危險點處u方向位移隨壩底板厚度變化

圖3　危險點處v方向位移隨壩底板厚度變化

厚度0.8m壩底板u方向最大位移為0.232×10-3m，距離上游1.4m；v方向最大位移為0.101×10-6m，距離上游1m。厚度0.7m壩底板u方向最大位移為0.309×10-3m，距離上游1.4m；v方向最大位移為0.574× 10-6m，距離上游0.5m。厚度0.6m壩底板u方向最大位移為0.441×10-3m，距離上游1.4m；v方向最大位移為1.22×10-6m，距離上游7.5m。厚度0.5m壩底板u方向最大位移為0.673×10-3m，距離上游1.4m；v方向最大位移為5.42×10-6m，距離上游7.3m。

2.3壩底板厚度對壩底板危險處應力和位移的影響

2.3.1壩底板厚度對應力的影響

壩底板厚度為0.6m時，第一主應力σ1最大為1.26×107Pa；壩底板厚度為0.8m時，第一主應力σ1最小為0.488×107Pa。壩底板厚度為0.6m時，第二主應力σ2最大為0.313×107Pa；壩底板厚度為0.8m時，第二主應力σ2最小為0.094×107Pa。壩底板厚度為0.5m時，第三主應力σ3最大為1.06×107Pa；壩底板厚度為0.8m時，第三主應力σ3最小為0.407×107Pa。

2.3.2壩底板厚度對位移的影響

壩底板厚度為0.5m時，u方向位移最大為0.673×10-3m；壩底板厚度為0.8m時，u方向位移最小為0.232×10-3m。壩底板厚度為0.5m時，v方向位移最大為5.42×10-6m；壩底板厚度為0.8m時，v方向位移最小為0.101×10-3m。

3　結語

根據數值模擬結果，壩底板厚度為0.7m時，各項條件符合設計標準，且用料最少，造價最低，經過穩定校核計算，結果滿足強度、剛度和穩定性條件。本文采用有限元方法仿真模擬壩底板的承載變化情況，由于計算軟件本身的局限性以及模型參數設定的限制，計算結果存在一定的偏差，有待于有限元計算模型進一步改進。陜西水利

（責任編輯：暢妮）

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