基于ANSYS的嚴(yán)寒地區(qū)拱壩穩(wěn)定及應(yīng)力分析

趙國(guó)杰，金津麗

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津市 300222）

基于ANSYS的嚴(yán)寒地區(qū)拱壩穩(wěn)定及應(yīng)力分析

趙國(guó)杰，金津麗

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津市 300222）

大壩口水庫(kù)工程為漿砌石雙曲拱壩，具有以下特點(diǎn)：地處嚴(yán)寒地區(qū)、年內(nèi)溫差大、河段來(lái)水含沙量大、泥沙淤積嚴(yán)重、Ⅶ度地震等。設(shè)計(jì)中針對(duì)這些特點(diǎn)以及地質(zhì)、地形情況，并結(jié)合本工程任務(wù)，合理地進(jìn)行了擋水建筑物布置、泄水與排沙建筑物布置、取水建筑物布置等，改善了壩肩的穩(wěn)定條件。本文通過(guò)ANSYS進(jìn)行壩肩抗滑穩(wěn)定分析和壩體應(yīng)力分析，結(jié)果表明壩肩抗滑穩(wěn)定和壩體應(yīng)力均滿足要求。本工程設(shè)計(jì)具有一定的代表性，值得類似工程參考。

漿砌石；雙曲拱壩；嚴(yán)寒

0 引言

內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特后旗大壩口水庫(kù)工程位于烏拉特后旗巴音寶力格鎮(zhèn)以西5km處的大壩溝溝口，是內(nèi)蒙古西北地區(qū)狼山水系防洪工程治理規(guī)劃中的一項(xiàng)重點(diǎn)工程。進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，大壩溝山洪頻繁發(fā)生。

原大壩口水庫(kù)主體工程于2000年完工，以防洪、供水、灌溉為主要任務(wù)。自大壩口水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)，泥沙淤積嚴(yán)重，閘閥室取水管已經(jīng)淤死。大壩口水庫(kù)建成后，隨著烏拉特后旗改革開放的深入發(fā)展，全旗經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)中心迅速南移。為滿足旗府新址區(qū)、下游巴彥淖爾紫金有色金屬有限公司以及下游總干渠、團(tuán)結(jié)灌區(qū)的防洪要求，同時(shí)提供旗府新址區(qū)生活用水及壩址附近部分工礦企業(yè)的工業(yè)用水，對(duì)原小（2）型大壩口水庫(kù)擴(kuò)容，擴(kuò)容后，大壩口水庫(kù)總庫(kù)容為1133萬(wàn)m3。工程任務(wù)為以防洪為主、結(jié)合供水，工程為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型水庫(kù)。

1 工程概況

大壩口水庫(kù)壩址區(qū)位于大壩溝溝口，該溝谷段長(zhǎng)約300m，溝谷寬約25～40m，兩岸陡峻、溝谷深切，為基本對(duì)稱的“V”型谷。壩址河道順直，兩岸山體雄厚，巖體比較堅(jiān)硬完整。壩址區(qū)地層主要為元古界狼山群變質(zhì)巖、新生界第四系及燕山早期花崗巖。受南北向擠壓應(yīng)力作用，壩址區(qū)擠壓破碎帶發(fā)育，但規(guī)模較小。壩址區(qū)屬于構(gòu)造裂隙較發(fā)育地區(qū)，主要發(fā)育有2組裂隙：走向 NW320°～350°，傾 SW，傾角 60°～80°，裂隙面光滑、平直、閉合，延伸長(zhǎng)度較大；走向NE40°～60°，傾SE，傾角60°～75°，閉合，裂隙面光滑、平直，近地表裂隙張開，充填有泥質(zhì)及巖屑。

新建漿砌石雙曲拱壩在原拱壩壩軸線上游約20m處，主要建筑物包括擋水建筑物、泄洪建筑物、排沙建筑物、取水建筑物等。壩基利用巖體主要為二云母石英片巖，弱風(fēng)化，呈次塊狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整。巖體中緩傾角結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，亦未發(fā)現(xiàn)大的順河向結(jié)構(gòu)面，兩岸發(fā)育的擠壓破碎帶規(guī)模小，性狀較好，拱座巖體抗滑穩(wěn)定性較好。壩基（肩）巖體抗變形性能主要受片理產(chǎn)狀、裂隙及擠壓破碎帶、風(fēng)化程度、卸荷情況、巖性等控制。受卸荷程度的差異影響，右岸弱風(fēng)化巖體的變形要大于左岸[1-3]。

新建拱壩采用變圓心變半徑的雙曲拱壩。壩軸線半徑為110.0m。河床部位拱壩建基面高程定為1071.00m，壩頂高程為1122.60m，最大壩高為51.6m。拱壩頂拱外半徑為110.00m，中心角為105.51°，壩頂軸線長(zhǎng)度202.57m。壩頂厚度4m，不計(jì)防滲面板的壩體底部厚度15.0m。

泄水建筑物采用開敞式溢流表孔，溢流堰頂設(shè)置在防洪高水位1115.33m高程，共設(shè)7孔，單孔凈寬10m。出口采用挑流消能。沖沙底孔底設(shè)置在高程1090.0m，設(shè)置兩孔，單孔尺寸為4m×3.4m（寬×高），用于汛期洪水來(lái)臨時(shí)沖沙泄洪。

水庫(kù)引水采取分層取水方式，Dg300引水鋼管緊鄰溢流段左側(cè)埋設(shè)于壩內(nèi)，共分四層，分別設(shè)在1093.0、1102.5、1104.5m及1107.5m高程處。壩后設(shè)閘閥室，平面凈尺寸4m×7m。

本工程具有以下特點(diǎn)：

（1）地形為河谷寬高比接近于4的梯形河谷。

（2）來(lái)水含沙量大，產(chǎn)流含沙量為98kg/m3，水庫(kù)淤沙嚴(yán)重。50年淤積高度約36m，泥沙壓力占主導(dǎo)作用。

（3）年內(nèi)溫差大，多年平均氣溫4.6℃，最冷的1月平均氣溫-14.1℃，最熱的7月平均氣溫22.2℃。溫度應(yīng)力較大。

（4）地處嚴(yán)寒地區(qū)，最大冰厚1.2m，導(dǎo)致冰壓力不可忽視，保溫問(wèn)題突出。

（5）采用大底孔排沙，壩頂溢流，削弱了壩體結(jié)構(gòu)，同時(shí)過(guò)水?dāng)嗝娴目箾_耐磨問(wèn)題突出，下游的消能問(wèn)題也需要注意。

（6）場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，需要考慮地震荷載的影響。

2 計(jì)算目的

我國(guó)至20世紀(jì)末已建的砌石拱壩為1538座，其中中型的為113座，大（2）型僅2座，其余均為小型工程。壩高50m以上的為112座，占比僅7.3%，且大部分砌石拱壩分布在福建、貴州、四川、安徽等地區(qū)。這些工程的特點(diǎn)與本工程有較大的差別，有些公式和經(jīng)驗(yàn)不宜套用。

本文采用國(guó)際通用大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件《ANSYS》進(jìn)行壩體、巖體整體三維有限元計(jì)算分析。計(jì)算單元采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元、接觸單元及質(zhì)量元，壩體結(jié)構(gòu)、圍巖結(jié)構(gòu)均按彈塑性計(jì)算[4-5]。

壩體有限元分析的具體內(nèi)容如下：

（1）采用ANSYS進(jìn)行壩體和圍巖聯(lián)合三維有限元整體分析。

（2）選取底孔、表孔壩段圍巖聯(lián)合三維有限元整體分析。

（3）對(duì)兩岸壩肩抗滑穩(wěn)定進(jìn)行整體計(jì)算。

3 計(jì)算模型

3.1 材料屈服準(zhǔn)則

根據(jù)地質(zhì)提供的參數(shù)，在進(jìn)行彈塑性有限元分析時(shí)，圍巖采用理想彈塑性本構(gòu)特性。非線性應(yīng)力屈服準(zhǔn)則選用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）準(zhǔn)則：

其中：

德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則近似莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，對(duì)米賽斯準(zhǔn)則進(jìn)行了修正。德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則優(yōu)點(diǎn)是考慮了σ2的作用。

當(dāng)φ＞0時(shí)，在主應(yīng)力空間中德魯克-普拉格準(zhǔn)則的屈服面是莫爾-庫(kù)侖內(nèi)切圓錐；當(dāng)φ=0時(shí)，德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則就是米賽斯準(zhǔn)則。德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則適用于混凝土、巖石和土壤等顆粒狀材料[6]。

3.2 計(jì)算模型、單元剖分

假定模型沿壩軸中心線方向?yàn)閅方向，垂直壩軸線方向?yàn)閄方向，鉛垂向上為Z正方向，XY面原點(diǎn)在拱圈弧中心，如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系X-Y平面示意圖Fig.1 Coordinate X-Y plane sketch map

計(jì)算模型區(qū)域?yàn)?50m×310m×500m（X×Y×Z），沿壩厚度方向分8層實(shí)體混凝土單元，共10835個(gè)；圍巖劃分43216個(gè)實(shí)體單元；壩體與圍巖間接觸單元共2598個(gè)。整個(gè)有限元計(jì)算模型體如圖2所示，計(jì)算模型局部單元圖如圖3所示。

圖2 整個(gè)計(jì)算模型體圖Fig.2 Entire calculating model

圖3 計(jì)算模型局部單元圖Fig.3 Calculating model local cell

模型建立時(shí)充分考慮了壩基和壩肩巖體材料的實(shí)際分布情況，主壩基變形模量取用8.0GPa；壩肩（高程1078m～1112m）變形模量取用3.5GPa；壩肩（高程1112m～壩頂）變形模量取用2.0GPa。

建基面處壩體及壩肩兩側(cè)和巖石采用不同節(jié)點(diǎn)，以接觸單元連接。邊界約束為：地基四面和底部均加法向約束[7-8]。

4 基本荷載和荷載組合

基本荷載主要有溫度荷載、自重、上游水壓力、下游水壓力、波浪力、泥沙壓力及揚(yáng)壓力。計(jì)算采用的荷載組合見表1。

對(duì)各工況壩體上下游面、壩基面和典型橫剖面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。典型橫剖面選取見圖4。

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

各工況壩體上下游面、壩基面、各典型橫剖面應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果見表2～表4，表中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。由計(jì)算結(jié)果可知：在各工況中，溫升工況是主壓應(yīng)力的控制工況，溫降工況是主拉應(yīng)力的控制工況。第1主應(yīng)力極值出現(xiàn)在工況5（正常蓄水位+地震+溫降），壩體砌石體下游側(cè)部分區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，第1主應(yīng)力最大等值線值為1.05MPa，極值為1.14MPa，位于砌石體與混凝土出口交界處。第3主應(yīng)力最大等值線值為-4.92MPa，位于下游底部，極值為-5.22MPa。壩體應(yīng)力最大主拉、壓應(yīng)力在規(guī)范允許值范圍內(nèi)。

表1 各計(jì)算工況荷載組合Tab.1 Load combination of the operating modes

圖4 拱冠梁、1-1、2-2橫剖面示意圖Fig.4 The crown cantilever of dam section No.1-1、2-2

表2 壩體上下游面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.2 Stredd analysis results of the dam upstream and downstream MPa

表3 壩基面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Stress analysis results of the dam foundation MPa

5.2 壩體位移計(jì)算結(jié)果

壩體位移分析見表5。在各工況中，工況5是總位移最大值的控制工況，位移最大值1.25cm。各運(yùn)行工況鉛垂方向位移值相差不大，為0.37～0.62cm，上下游方向的位移值在-0.92～1.18cm之間。根據(jù)工程類比位移滿足要求。

表4 各典型橫剖面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.4 Stress analysis results of typical cross sections MPa

表5 壩體位移分析表Tab.5 Displacement analysis results of the dam cm

5.3 壩肩抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

各工況壩肩抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表6，在各工況中，壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均為右岸大于左岸。基本組合壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值1.47，抗剪斷安全系數(shù)最小值5.99，均出現(xiàn)在工況1；特殊組合不考慮地震情況下，工況4壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值1.57，抗剪斷安全系數(shù)最小值6.27；特殊組合考慮地震情況下，巖體抗滑安全系數(shù)最小值1.12，抗剪斷安全系數(shù)最小值5.72，均出現(xiàn)在工況5。各工況壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

大壩口水庫(kù)工程采用漿砌石雙曲拱壩。設(shè)計(jì)中針對(duì)本工程地處嚴(yán)寒地區(qū)、年內(nèi)溫差大、河段來(lái)水含沙量大、泥沙淤積嚴(yán)重、Ⅶ度地震等特點(diǎn)以及地質(zhì)、地形情況，并結(jié)合本工程任務(wù)，合理地進(jìn)行了擋水建筑物布置、泄水與排沙建筑物布置、取水建筑物布置等，改善了壩肩的穩(wěn)定條件。本文通過(guò)ANSYS進(jìn)行壩肩抗滑穩(wěn)定分析和壩體應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果表明壩肩抗滑穩(wěn)定和壩體應(yīng)力均滿足要求。我國(guó)至20世紀(jì)末已建的砌石拱壩大部分分布在福建、貴州、四川、安徽等地區(qū)。這些工程的特點(diǎn)與本工程有較大的差別，有些公式和經(jīng)驗(yàn)不宜套用。本工程對(duì)地處嚴(yán)寒地區(qū)、高含沙、高溫差、需要考慮地震的拱壩設(shè)計(jì)具有一定的代表性，值得類似工程參考。

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Stability and Stress Analysis of Arch Dam Based on the ANSYS of Arctic Region

ZHAO Guojie，JIN Jinli
（China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research CO. LTD.，Tianjin 300222 China）

Dabakou reservoir project of masonry double-curvature arch dam has the following characteristics： located in the arctic region，large temperature difference，water in river sediment large，serious silting，VII degree earthquake. Design based on these characteristics and geological，topographical condition，and combined with the engineering task，reasonably water retaining building layout，discharge and sediment structure layout，water intake structure layout，improve the stability of the dam abutment conditions. This article analysis the dam shoulders anti-sliding stability analysis and dam stress analysis based on the ANSY. The results show that the stability against sliding of dam abutment and the stress of dam body meets the requirements. This engineering design has a certain representation，worthy of reference for the similar projects.

stone masonry； double curvature arch dam；arctic region

TV 732

A

570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.017

2016-08-16

2016-10-25

趙國(guó)杰（1977—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：水工結(jié)構(gòu)等。E-mail：41806596@qq.com

金津麗，女，工程師，主要研究方向：水工結(jié)構(gòu)等。E-mail：zzl19831004@126.com