基于ANSYS的漿砌石拱壩應力分析

竇艷飛

基于ANSYS的漿砌石拱壩應力分析

竇艷飛

拱壩壩體的穩定主要依靠兩岸拱端的反力作用，這是拱壩區別于重力壩、土石壩的一個顯著特點。拱壩是一個空間彈性殼體，其幾何形狀和邊界條件都很復雜，難以用嚴格的理論計算求解拱壩壩體應力狀態。在拱壩應力分析中，幾種常用的方法有純拱法、拱梁分載法及其簡化形式拱冠梁法、有限元法和殼體理論基礎計算方法。相比于其他方法，三維有限元法計算理論更嚴密，且具有可考慮各種復雜的邊界條件、荷載組合的優點，因此隨著計算機技術的不斷發展，三維有限元法已被廣泛應用于拱壩應力分析中。本文通過漿砌石拱壩工程實例，計算分析了拱壩在多種荷載組合工況下的壩體應力及變形，分析應力對大壩穩定的影響，體現了ANSYS在小型拱壩結構安全評價中的實用性。

一、工程概況

某水電站屬淮河流域，壩址以上來水面積77.5km2，裝機1×630kW臺，額定水頭14m，額定流量3.6m3/s。根據最新的地形資料，水電站為混合式水電站，電站裝機容量1×630kW，屬V等工程。主要建筑物：攔河壩為5級建筑物，發電輸水建筑物、發電廠房亦為5級建筑物。攔河壩設計洪水標準為20年一遇校核洪水標準為200年一遇，發電輸水隧洞進水口設計洪水標準與攔河壩一致；發電廠房工程設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為200年一遇。電站上游流域面積77.5km2。河源河床高程為590m，河口河床高程約120m，河道總長度56km。流域內山巒起伏，山嶺縱橫、溪流交錯，其間分布有大小不等的梯傍沖畈，是個山高、坡陡、溝深、地少的典型山區，電站上游及附近森林植被覆蓋率達90%以上。

二、漿砌石拱壩應力分析

圖1　拱壩有限元模型圖

圖2　正常蓄水位主應力圖（Pa）　

圖3　設計洪水位主應力圖（Pa）

圖4　校核洪水位應力圖（Pa）

1.計算模型

在有限元計算中，在壩基底部施加三向約束，壩基上、下游邊界面施加相應的法向鏈桿約束，壩基左右側亦施加相應的法向鏈桿約束，橫河流方向為x方向以指向右岸為正，順河向為y方向以指向下游為正，豎直方向為z方向以豎直向上為正，模型單元劃分采用8節點四面體單元，模型節點總數116547個，單元總數79202個，有限元計算模型見圖1。

2.計算荷載

該拱壩正常蓄水位：308.50m；設計水位311.98m，庫容20.76萬m3；校核水位313.79m，庫容30.94萬m3；該區域年平均氣溫15.5℃，多年平均氣溫隨海拔高程增加而逐減，變化幅度在15.2℃～16.8℃之間。多年平均日照時數為2033h，日照率為47%，無霜期180～220d。由此電站地址報告，根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001），工程區地震動峰值加速度為0.05g，對應的地震基本烈度為Ⅵ度，根據《水工建筑物抗震設計規范》（SL203-97）可不進行抗震復核。

影響拱壩壩體應力的主要荷載有：自重、溫度、地基揚壓力、泥沙壓力、溫度、地震荷載等，根據《漿砌石壩設計規范》，結合本工程情況，選擇以下三種工況計算荷載組合：（1）正常蓄水位下凈水壓力+自重+揚壓力+泥沙壓力+設計正常溫降；（2）設計洪水位下凈水壓力+自重+揚壓力+泥沙壓力+設計正常溫升；（2）校核洪水位下凈水壓力+自重+揚壓力+泥沙壓力+設計正常溫升。

3.計算結果

參照《混凝土拱壩設計規范》（DL/T 5346-2006）6.3.2規定，用有限元法計算時，應補充計算“有限元等效應力”。按“有限元等效應力”求得的壩體主拉應力和主壓應力，應符合下列應力控制指標的規定：

（1）容許壓應力。混凝土的容許壓應力等于混凝土的極限抗壓強度除以安全系數。對于基本荷載組合，1、2級拱壩的安全系數采用4.0，3級拱壩的安全系數采用3.5；對于非地震情況特殊荷載組合，1、2級拱壩的安全系數采用3.5，3級拱壩的安全系數采用3.0.

（2）容許拉應力。對于基本荷載組合，拉應力不得大于1.5MPa；對于非地震情況特殊荷載組合，拉應力不得大于2.0MPa。超過上述指標時，應調整壩的體形減少壩體拉應力的作用范圍和數值。

拱壩模型及各工況第一主應力分析圖見圖2～圖4。

經計算，大壩基底應力計算結果見表1。

參照《混凝土拱壩設計規范》（DL/T 5346-2006）的要求，用有限元法計算壩體應力時應補充有限元等效應力計算。等效應力計算結果見表2。

表1　拱壩壩基底應力計算結果表

表2　拱壩壩基底等效應力計算結果表

三、結論

（1）從計算結果可以看出，在不考慮地震荷載作用的情況下，根據等效應力變換以后的強度標準得出的主應力值均小于強度標準，拱壩壩體順河向位移均指向下游，位移等值線基本對稱，應力滿足規范要求，拱壩設計方案合理，應力安全符合標準。

（2）有限元法計算拱壩應力較拱梁分載法不僅可以考慮拱壩與地基的整體作用效應，而且能進行各種復雜條件下的應力分析，本文基于ANSYS實現了拱壩的參數化建模及應力分析，通過對拱壩的工程實例分析，也驗證了該方法的有效及簡單實用

（作者單位：安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院230088）