基于ANSYS軟件的壩體加固有限元分析及開裂模擬

田 濤，王 建（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙410007）

基于ANSYS軟件的壩體加固有限元分析及開裂模擬

田 濤，王 建（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙410007）

本文采用三維非線性有限元分析方法對混凝土單支墩大頭壩加固改造為重力壩進行應力變形計算和壩體開裂模擬，結果表明：在竣工期和滿蓄期大壩的應力及變形分布規律基本合理；位移值也在規范允許范圍內；水庫加固正常蓄水后，壩體出現開裂可能性較小。

ANSYS軟件；壩體加固；有限元分析；開裂模擬

按湖南省第一次水利普查資料顯示，湖南現有水庫總數14121座，占到全國的1/7，居全國第一位。部分水庫由于設計和施工時科技水平的限制，地質勘測、設計、施工都存在一些問題，隨著壩體老齡化，這部分水庫不能在原有設計工況下正常運行，進行除險加固是十分迫切和必要的。本文采用有限單元法，針對茶安水庫混凝土單支墩大頭壩壩體加固這一案例，對加固后壩體在不同工況荷載的應力-應變進行了模擬分析，得出了大壩的應力和位移分布規律，并對壩體開裂進行了模擬計算，論證了加固方案的可行性。

1 工程概況

茶安水庫原名仙下水庫，始建于1958年9月，是一座以灌溉為主的Ⅲ等中型水庫，現有大壩為混凝土單支墩大頭壩，由9個支墩和左右岸邊墩組成，壩頂高程211.645m，最大壩高41m，壩頂寬3.2m，支墩之間設有0.6m厚的肋墻，間距5m，2002年除險加固時在支墩空腔采用了鋼筋混凝土底拱，底拱上回填砂卵石至肋墻頂。

設計加固方案：壩頂高程加高至215.01m，在壩后對壩體加寬7m，壩頂寬度變為13m，拆除肋墻，清除原壩體內部回填的砂卵石及支墩空腔間的底拱及底板，清基至弱風化層，采用C20混凝土進行回填，與原壩體形成一整體，形成一實體重力壩。

2 計算原理

茶安水庫大壩加固后，其壩體形式由現在混凝土單支墩大頭壩變為混凝土重力壩，壩體由混凝土支墩大頭壩和壩后加固體兩部分組成。加固體與原壩體結構一起形成了一種二次組合結構，新舊兩部分結構存在整體工作共同受力的問題。整體工作的關鍵，取決于結合面的狀況，新舊壩體結合之間空隙的大小決定了新舊壩體分擔上游水壓力荷載的大小。當新舊壩體結合面之間的空隙較大時，混凝土單支墩大頭壩將承擔較大的上游水壓力。在高應力作用下，壩體可能會發生局部開裂破壞。因此，有必要采用有限單元法對結合面空隙的大小對舊壩結構受力的影響進行研究。

3 計算模型及方法

3.1 計算模型

本文采用三維線性有限元法計算茶安水庫大頭支墩舊壩，加固體在竣工期及蓄水期的應力變形特征。加固體及舊壩均按各向同性線彈性體模擬，開裂采用分布式裂縫模型模擬。

大壩三維有限元計算范圍：X方向由右岸指向左岸；Y軸由下游指向上游；Z軸鉛直向上。

大壩結構和壩址區巖體的物理力學參數如表見表1。混凝土的抗拉強度取為1.30MPa。

表1 巖體物理力學參數表

3.2 計算網格的劃分

在所選用的模型模擬范圍內，巖體8采用等參塊體單元SOLID45。大壩結構的現有壩體及加固體均為混凝土的塊體結構，采用混凝土單元SOLID65模擬，為了更精確的模擬其力學行為，對大壩采用網格進行適當加密。

3.3 計算方法

茶安水庫大壩模型邊界條件為：模型底面施加鉛直約束，巖體的上游斷面，下游斷面和各個側面加與該面垂直的約束，巖體的頂部表面和大壩表面按自由面處理。荷載取值按相關規范，結合大壩設計時確定的不同水位，制定了不同的計算工況。

壩體開裂模擬以校核水位為基本荷載，通過在舊壩體上游施加不同比例的基本荷載，對結合面空隙的大小進行間接模擬。

4 計算結果分析

4.1 模型壩體及壩基位移計算結果

（1）空庫工況下，同一高程而言，壩體下游面鉛直向位移大于上游面鉛直向位移；壩體鉛直位移隨距壩趾距離的增加而減小，壩趾最大位移為2.822mm（沉降），壩頂最大位移為1.951mm（沉降），壩踵最大位移為1.5mm（沉降）；壩基巖體鉛直向位移隨距壩體距離的增加而減小，建基面下游壩趾處鉛直位移最大；壩體水平y向位移整體隨高程增加而變化，整個壩體的水平位移均較小，壩基內水平y向位移沿水平方向變化，壩軸線上游側巖體向上游變位，壩軸線下游側巖體向下游變位。

（2）設計洪水位、校核洪水位和正常蓄水位三個工況壩體及壩基變位分布呈現的規律相近。壩體位移分布特征為：壩體在上游水壓力的作用下整體傾向下游變位，垂直方向仍為沉降；垂直位移隨距壩趾的距離增加而減小，壩趾處的位移最大。整個壩體的水平位移均較小，壩基內水平y向位移沿水平方向變化，壩軸線上游側巖體向上游變位，壩軸線下游側巖體向下游變位。

4.2 壩體結構及壩基應力特性

（1）在空庫工況壩體及壩基的大主應力（壓應力）隨高程降低而增大，就同一高程而言，兩側壩體應力較大而中間壩段壩體應力較小，壩體上下游面應力較大，而中間應力較小。壩體新舊混凝土膠結面處存在應力突變現象。

（2）設計洪水位、校核洪水位和正常蓄水位三個工況壩體及壩基應力分布呈現的規律相似，因此，本文中僅給出正常蓄水位工況壩體及壩基的應力云圖，如圖1所示。由圖可知，壩體及壩基應力隨高程的增大而減小，隨上游水壓力的增加，上游壩踵應力隨之減小，下游壩趾則隨之增加，正常蓄水位工況壩趾處大主應力最大值約為2.33MPa（壓應力），設計洪水工況為2.55MPa，校核洪水工況為2.55MPa。同時，在新舊混凝土膠結面上存在應力突變現象。

圖1 正常蓄水位工況壩體及壩基σ1橫剖面應力云圖

三種工況下，壩體及壩基小主應力分布規律也基本相似，即受上游水壓力作用及壩基強風化層的影響，壩體的建基面附近存在拉應力區，正常蓄水位工況拉應力最大值為0.506MPa，設計洪水工況為0.506Pa，校核洪水工況為0.506MPa。

4.3 壩體開裂模擬結果

由計算結果可知，將校核水位時上游水壓力全部施加在模型上進行計算時，壩體未出現開裂現象，因此以下僅給出該工況的計算結果。

圖2 計算壩段壩體σ1應力云圖 圖3計算壩段壩體開裂位置示意圖

由圖2可知，計算壩段壩體最大拉應力約為0.6MPa；由圖3可知，整個壩體無開裂現象發生。

5 結論

通過大壩三維非線性有限元靜力分析，可以得到以下結論：

（1）同一高程而言，壩體下游面鉛直向位移大于上游面鉛直向位移，且壩體鉛直位移隨距壩趾距離的增加而減小。同時，上游壩踵處鉛直位移隨上游水壓力增加而減小，而壩趾處鉛直位移則隨之增加。壩基巖體鉛直向位移隨距壩體距離的增加而減小，建基面下游壩趾處鉛直位移最大。整個壩體的水平位移均較小，壩基內水平y向位移沿水平方向變化，壩軸線上游側巖體向上游變位，壩軸線下游側巖體向下游變位。

（2）壩體及壩基應力隨高程的增大而減小，隨上游水壓力的增加，上游壩踵應力隨之減小，下游壩趾則隨之增加。同時，在新舊混凝土膠結面上存在應力突變現象。壩體及壩基小主應力分布規律也基本相似，壩體的建基面附近存在拉應力區。

壩體及壩基的垂直向應力σz隨高程降低而增大，就同一高程而言，壩體上下游面應力較大，而中間應力較小。由于受到壩體上游水壓力的作用，壩體的應力與空庫工況相比有明顯減小。新舊混凝土膠結面處應力出現明顯的突變現象。同時，隨著水壓力的增加，上游壩踵處應力隨之減小，下游壩趾處應力隨之增大。

（3）由模擬結果可知，水庫加固正常蓄水后，壩體出現開裂可能性較小。

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TV31

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2095-2066（2016）33-0085-02

2016-11-12

田 濤（1982-），男，工程師，本科，主要從事水利水電工程設計研究工作。