某小型橡膠壩數(shù)值模擬研究

王 寧 劉邦俊 許 荔 夏明月 孫祥志

①南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 ②南京市長江河道管理處

橡膠壩是攔河水利構(gòu)筑物常用的一種形式，具有可恢復(fù)、造價低、容易施工、對周邊生態(tài)影響小等顯著優(yōu)點。為進一步研究橡膠壩的安全問題，同時為同類工程的安全穩(wěn)定提供借鑒，本文以江蘇省宿遷市泗洪縣天崗湖湖區(qū)某天然橡膠壩為例，借助ANSYS有限元軟件進行三維數(shù)模計算，建模分析研究其安全穩(wěn)定性。

橡膠壩利用壩體內(nèi)部充脹（主要采用氣體或者無腐蝕性水質(zhì)）來攔截水流，其優(yōu)點是可以隨時采用排出介質(zhì)的方式，恢復(fù)原過水?dāng)嗝妫瑫r由于橡膠壩上表面設(shè)有溢流孔，可以使洪水期的漂浮物以及懸移質(zhì)泥沙順利從橡膠壩斷面下泄。同時，橡膠壩用料省、造價低、施工周期短、對周邊生態(tài)環(huán)境影響小，被廣泛應(yīng)用于各類小型水利設(shè)施中。截至2018年，我國現(xiàn)運營的橡膠壩總數(shù)超過3500座，應(yīng)用較為普及。

為進一步研究橡膠壩的安全問題，同時為同類工程的安全穩(wěn)定提供借鑒。本文以江蘇省宿遷市泗洪縣天崗湖湖區(qū)某天然橡膠壩為例，借助三維數(shù)模，建模分析研究其安全穩(wěn)定性。

1 實例工程概況及基本條件介紹

1.1 橡膠壩概況

實例工程位于江蘇省宿遷市泗洪縣天崗湖湖區(qū)，位于天崗湖引河渠上，距離香套湖12.5 km，結(jié)構(gòu)為開敞式鋼筋砼結(jié)構(gòu)，寬約31.0 m，壩體總長約86.70 m，上游連接段共長為34.20 m，壩室段共長14.0 m。下游連接段長為38.50 m，墩頂高程20.70 m（本文均采用85高程，下同），底板高程15.13 m。建筑物級別為Ⅳ級。

1.2 特征水位

根據(jù)《天崗湖湖區(qū)調(diào)度運行辦法》，本工程區(qū)域正常蓄水位18.93 m，10年一遇設(shè)計水位為19.7 m。

2 三維有限元模型建立及工況分析

2.1 三維有限元模型建立

借助ANSYS進行建模分析，采用穩(wěn)定性最好的三角形進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距設(shè)為3 m，局部區(qū)域進行加密處理。同時，計算模塊采用SHELL41單元。整體模型共16552個網(wǎng)格節(jié)點和89668個網(wǎng)格。實例工程三維數(shù)模模型見圖1。

圖1 實例工程三維數(shù)模模型示意圖

2.2 計算工況分析

本文擬分析在下游無水的承載工況下，分析上游擋水深分別是0 m（工況一）、1 m（工況二）、2 m（工況三）、3 m（工況四）、4 m（工況五）這五種情況下，分析壩體應(yīng)力分布、壩體位移等情況。

3 計算結(jié)果分析

3.1 壩體應(yīng)力分布

將壩體在工況一和工況五情況下的應(yīng)力分布情況繪于圖2，實例工程應(yīng)力計算結(jié)果見表1，分析可知：

（1）上游水深不同時，橡膠壩所產(chǎn)生的應(yīng)力最大值均處于壩袋與其它物體的錨固處，在擋水水深為0 m（工況一）時，實例工程最大主應(yīng)力為9.60 MP。

（2）隨著擋水水深逐漸增大，最大主應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)擋水水深增大至4.0 m時，實例工程最大主應(yīng)力下降為7.65 MP。

（3）X方向應(yīng)力及Y方向應(yīng)力的變化趨勢與主應(yīng)力相同，均為隨著擋水水深增大而減小。

表1 實例工程應(yīng)力計算結(jié)果

圖2 壩體在工況一和工況五情況下的應(yīng)力分布情況

3.2 壩體位移分析

將壩體在工況一和工況五情況下的應(yīng)力分布情況繪于圖3，實例工程位移計算結(jié)果見表2，分析可知：

（1）在各工況下，橡膠壩壩體上最大的水平、豎向位移均發(fā)生在實例工程頂部略傾向上游位置。

（2）在各工況下，采用反向施加荷載的方法，將水的作用力加到壩袋上，可以使壩袋被反方向推回。由此可見，壩袋變形是處于隨著水深的增加而在減小的狀態(tài)，壩體不擋水時其產(chǎn)生的變形沿壩軸線上下游是對稱的。與此同時，壩體在兩側(cè)護岸、岸坡的約束下，壩軸線基本沒有發(fā)生變形、位移。因此，采用反向施加荷載的方法可以有效減少壩體變形。

圖3 壩體在工況一和工況五情況下的壩體位移分布情況

表2 實例工程位移計算結(jié)果

4 結(jié)論

本文借助ANSYS有限元計算模型，以宿遷市泗洪縣天崗湖湖區(qū)某橡膠壩為實例工程，對橡膠壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果顯示：

（1）隨著擋水水深逐漸增大，最大主應(yīng)力逐漸減小，且在不同工況下出現(xiàn)在上下游錨固線處和兩岸岸坡附近。因此，這些區(qū)域是壩體錨固、防護的重點區(qū)域，必要時可增加高強度螺栓錨固進行輔助加強。

（2）根據(jù)各工況下橡膠壩壩體位移分布來看，在各工況下，最大的水平、豎向位移均發(fā)生在實例工程頂部略傾向上游位置。同時，采用反向施加荷載的方法可以有效減小實例工程變形。