關門嘴子水庫重力壩應力集中現象分析

李 恒，孫 瑤，張洪雨

(哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

關門嘴子水庫重力壩應力集中現象分析

李 恒，孫 瑤，張洪雨

(哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

應力集中屬于彈性力學中的一種現象，通常會產生物體局部應力突變的情況，一般出現在物體某處形狀突變的部位。為了防止建筑物遭到破壞，在設計過程中應該重點考慮該現象。文章借助ANSYS軟件平臺，利用有限元思想，對關門嘴子水庫重力壩進行靜力結構分析，得到應力集中部位應力大小值，進而檢驗出建筑物結構的合理性與可靠性。

重力壩；應力集中；ANSYS軟件平臺；有限元思想

1 工程概況

關門嘴子水庫位于黑龍江省鶴崗市，水庫壩址位于梧桐河上游，最大壩高34.35m，壩體厚20m，建基面高程為116.02，從高程為141.37處開始起折坡(坡比為1∶0.7)。設計水位下的上游水位147.50m，下游水位125.62m。壩基表層為第四系松散層，巖性包括粉土質砂、卵石混合土、碎石混合土，壩基巖體巖性以安山巖為主夾輝綠巖脈，壩基層不存在軟弱結構層。擋水壩內部采用C15混凝土，部分(如迎水面以及應力集中部位)采用2.5m厚C25混凝土。為了混凝土壩施工方便，僅布設一條基礎灌漿排水廊道，同時兼顧安全檢測、檢查維修作用。廊道斷面為3.0m×3.5m城門型，廊道底部設置0.25m×0.3m排水溝。廊道中心線位于壩軸線下游2.0m處，高程為119.02m[1]。

2 研究目的、背景及意義

關門嘴子水庫采用混凝土重力壩作為擋水壩，文章選取了第5#壩段作為研究對象，主要通過ANSYS進行數值模擬。由彈性力學的內容可以知道，應力集中現象一般出現在物體形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞處。在關門嘴子水利工程的擋水壩段中，整個重力壩的壩趾、壩踵以及廊道處可能會產生應力集中的現象，進而造成大壩局部被破壞，甚至造成整個壩體失穩，故在設計過程中考慮壩踵、壩趾和廊道處的應力變化是有必要的。

3 研究內容

文章將借助ANSYS軟件平臺，對研究對象進行建模，并利用有限元的思想，通過ANSYS的前處理，計算出重力壩一個壩段的內部應力以及位移，并分析壩趾以及壩踵處的應力突變情況，以此來判斷工程是否滿足穩定性和可靠性。

4 計算基本假定

1)混凝土、鋼結構材料均假設為各向同性線彈性材料。

2)材料的物理力學參數按設計標準值選取。

5 計算模型建立

選擇ANSYS結構(Structural)模塊。設置ANSYS實體結構單元solid65與solid185單元，solid65單元是混凝土結構單元，對于混凝土重力壩使用該單元，solid185單元用于處理實體單元，整個壩體建模過程中用于地基單元的處理。設置模型的材料參數，對于混凝土定義其密度為2500，彈性模量為3×1010，泊松比為0.167，對于地基主要由安山巖以及泥巖碎石組成，定義其彈性模量為1×1010，泊松比為0.31。

建模階段。根據工程資料的數據確定整個重力壩(本次建模過程中選取整個重力壩的15#壩段)的壩高等幾何信息，通過連接特征幾何點，形成二維面，面進成體的形式。其中特征點是(0,0,0)、(24.8,0,0)、(7,25.4,0)、(7,34.3,0)、(0,34.3,0)、(59.1,0,0)、(59.1,-34.3,0)、(0,34.3,-20)、(-34.3,0,0)、(-34.3,-34.3,0)、(0,0,-20)、(24.8,0,-20)、(7,25.4,-20)、(7,34.3,-20)、(-34.3,0,-20)、(59.1,0,-20)、(59.1,-34.3,-20)、(-34.3,-34.3,-20)。

施加荷載及約束階段。對壩基上下游兩側施加水平方向的約束，對壩基底側施加全方向約束。對于巖基上的重力壩，常見的荷載形式有：自身重力、靜水壓力、揚壓力、土壓力、冰壓力、地震荷載等。根據工程資料以及計算要求，文章主要主要研究重力壩的自重、靜水壓力以及揚壓力的作用。其中：

1)自重荷載。自重荷載作用于重力壩的重心，以慣性力的形式施加。

2)靜水壓力。靜水壓力分為上游面靜水壓力和下游面靜水壓力，其中上游面靜水壓力垂直作用于壩體的迎水面，上游面與重力壩接觸面垂直。靜水壓力的大小按照水深的不同呈現梯度分布。

3)揚壓力。揚壓力由滲透壓力和浮托力，其中滲透壓力是由于上下游水位差產生的，浮托力是重力壩下游的水壓力，揚壓力呈現梯度分布，揚其作用方向位于壩體底部鉛直向上。

6 計算結果

利用ANSYS計算結果，第一、三主應力分布圖見圖1-圖2，得到計算應力結果見表1。

圖1 第一主應力圖

圖2 第三主應力圖

應力類型應力值第一主應力/MPa拉應力5 95壓應力0 25第三主應力/MPa拉應力0 45壓應力6 46

7 結 論

由計算所得到的結果，可以分析得出以下結論：

1)由云圖結果可以看出，拉應力和壓應力的最大值都出現在廊道處，這是由于廊道處位于重力壩的孔口部位，會出現應力集中現象。根據表6-1可知，其中第一主應力最大值為5.95MPa。最大壓應力為0.25MPa，均小于C15和C25混凝土的最大抗拉強度，故抗壓強度均在混凝土最大強度范圍以內，但是在廊道以及壩址壩踵部位由于應力集中現象的影響，導致局部拉應力突變情況，故理論上這些部位可能會發生局部裂縫現象，應該予以重視。可以采取措施：在局部施加高強度混凝土。

2)在實際工程中，廊道處的應力大小與網格密度大小、單元的選擇以及外部環境影響等很多因素有關系，當極值大于標準值不多且分布范圍不大的時候，可以認為不會對重力壩造成危害。

3)從重力壩的應力云圖中可以得出結論，重力壩壩體大多數處于受壓狀態，這是由于受到靜水壓力的作用，使得壩體朝著下游方向有力的作用。

4)關門嘴子水庫重力壩滿足靜力條件下的穩定性要求。

[1]溫州,王秀麗,郭佳樂.鶴崗市關門嘴子水庫大壩穩定及應力分析[J].黑龍江水利科技,2016(02):41-42，145.

1007-7596(2017)06-0026-02

2017-05-26

李恒(1992-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，研究方向為水利工程；孫瑤(1993-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向為水利工程；張洪雨(1957-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，研究方向為水利工程。

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