重力壩壩體材料分區應力分布特征

王 軍

(丹東大禹水利水電工程建設監理有限公司，遼寧 丹東 118000)

重力壩是一種常見的水利工程結構物，是水利工程樞紐的關鍵建筑物。重力壩的穩定性關系到水利樞紐的正常運行。重力壩主要依靠自身重力維持穩定，在使用混凝土澆筑時，往往需要大量的材料，容易造成浪費。因此，有較多學者對混凝土重力壩結構優化設計進行研究，常用的方法包括：改進粒子群算法[1]、非線性規劃法[2]、遺傳算法[3]、幾何優化算法[4]、拓撲優化算法[5]、ANSYS數值模擬方法[6]等，這類方法使用計算機程序語言對重力壩結構設計過程的重要參數進行最優化選取，通過工程實踐的檢驗取得了較好的效果。重力壩結構斷面的優化設計完成后，可進行材料分區優化設計。根據壩體內部應力分布特征選取合適的澆筑材料，從而達到科學合理設計的目標。重力壩材料分區優化設計中控制壩踵部位應力是難點問題之一[7- 8]。崔盼[9]、張邦琳等[10]認為在不同部位使用不同強度參數的材料有助于減小壩體內部尤其是壩踵的最大拉應力，從而優化壩體內部的應力分布。

本文以實際工程為例使用優化過后的重力壩斷面建立不同分區材料的有限元數值模擬模型，對不同壩體材料分區壩體內部應力分布特征進行研究。

1 工程概況

重力壩位于遼寧省某市，壩體總高20m，頂寬5m，主要功能為蓄水解決當地用水問題，同時在洪水期擔任部分防洪排澇作用。采用混凝土進行澆筑，通過結構優化設計，設計截面為上游折點高度為10m，下游折點高度為15m。上游坡高比為1∶0.2，下游坡高比為1∶0.7。重力壩底寬為17.5m。

2 重力壩材料分區

根據重力壩設計截面使用三種分區方式。①均勻分區；②在上下游折點高度處進行水平分區；③在上下游折點處垂直分區如圖1所示。使用四種不同強度的混凝土材料進行澆筑，其中C1～C4表示混凝土彈性模型為：25.5、20、38、14GPa。分區方式一均采用C1材料進行澆筑。分區方式二各材料澆筑方案見表1。分區方式三各材料澆筑方案見表2。分區方式四各材料澆筑方案見表3。

表1 分區方式二各材料澆筑方案

表2 分區方式三各材料澆筑方案

表3 分區方式四各材料澆筑方案

圖1 分區方式示意圖

3 不同分區條件下重力壩壩體應力分布特征

在基本荷載工況下，對分區方式一的應力分布特征進行計算(壩體使用材料C1澆筑，壩基使用材料C2澆筑)，建立數值模擬進行有限元應力分析。壩踵-壩趾隨著距離變化的應力分布如圖2所示。當壩體下方混凝土材料的彈性模量增大時，壩趾處的水平方向應力也會隨著增大，這將會對壩體結構自身的穩定性產生不利影響；當壩體下方混凝土材料的彈性模量較小時，壩趾處的水平方向應力也會隨著減小，但壩踵處的拉應力會增大、壩趾處的壓應力也增大。因此，在進行壩體材料分區時，應采用更為細致的分區方式，從而使得壩體內部應力分布較為合理，因此應對分區方式二、三、四這3種更為細致的分區方式即材料澆筑方案三-方案十六共14種材料澆筑方案進行研究。

圖2 分區方式一、分區方式二數值模擬計算結果

各方案三-方案十六與壩體為分區應力分析結果見表4。

表4 不同方案應力分析結果 單位：MPa

根據表4所示，與壩體未分區應力計算結果相比，當分區方式三分區3和分區4、分區方式四分區3和分區5采用C4材料進行澆筑時壩踵區的主應力產生小幅度的減小，壩踵和壩址區的水平方向應力減小約25%～40%，但壩踵區的主應力增大約12%，這種應力分布情況對重力壩結構的穩定性不利。當分區方式三分區3和分區4、分區方式四分區3和分區5采用C3材料進行澆筑時壩踵及壩址區的主應力減小約10%～45%，但壩址區的水平方向應力產生較大幅度的增大，這對重力壩下游的穩定性較為不利，方案三～方案十為較為不合理的分區和材料澆筑方案。

因此，對分區方式四的其他混凝土材料澆筑方案進行研究，即方案十一-方案十六。當分區3使用C4進行澆筑，分區5使用C3材料進行澆筑時，壩踵和壩趾區的主應力產生減小，壩趾部位的水平方向應力增大，方案十一不合理；當分區3使用C3進行澆筑，分區5使用C4材料進行澆筑時，壩踵區的水平方向應力和壩趾區域的主應力和水平方向均有一定程度的減小，但壩踵部位的主應力增大約27%，這對重力壩的穩定性也是不利的，方案十二不合理；當分區3使用C4進行澆筑，分區5使用C1材料進行澆筑時，壩踵和壩趾區的主應力以及水平方向應力分別減小約3%、40%、19%、8%，因此，方案十三是可行的；方案十四應力分布特征與方案十二類似，是不合理的；當分區3使用C1進行澆筑，分區5使用C3材料進行澆筑時，壩踵和壩趾區的主應力減小，水平方向應力增大，因此方案十五、方案十六不合理。方案十一與方案十六和方案十三的混凝土材料梯度差值方向是一致的，但前兩者混凝土彈性模量梯度差值為24GPa和12.5GPa，方案十三的彈性模量梯度差為11.5GPa，因此，可以認為是梯度差值較差導致方案十一與方案十六重力壩內部應力分布較為不合理。

4 結論

(1)在進行重力壩結構斷面優化設計的基礎上，進行混凝土澆筑材料分區設計，共選取了四種分區方式十六種混凝土澆筑方案，結果表明有效的梯度差方向有助于重力壩內部應力的優化，方案十三為最優的分區方式和最優的混凝土材料澆筑方案。

(2)在保證混凝土彈性模量梯度差值方向一致的情況下，差值大小為影響應力分布的主要影響因素，通過對比方案十一、方案十三、方案十六，認為11.5GPa為較為合適的混凝土澆筑彈性模量梯度差值，該結果可為類似工程提供參考。