基于ANSYS對豐滿水電站溢流壩邊墩靜力研究分析

尹洪強(qiáng)，蘇奕康，張 鵬

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

1 工程簡介

豐滿水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，位于吉林省吉林市第二松花江干流上，該電站樞紐工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業(yè)供水、養(yǎng)殖和旅游等綜合利用。工程為Ⅰ等大（1）型工程，大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 一遇，校核洪水位為萬年一遇。水庫正常蓄水位為263.50 m，總庫容103 億m3，電站裝機(jī)容量為1 480 MW。

溢流壩設(shè)計洪水位268.20 m，正常蓄水位263.50 m。由于文章篇幅限制，僅對完建工況（施工期）計算分析。此工況下荷載組合為自重+預(yù)應(yīng)力（超張拉控制力），重力加速度9.81 m/s2，巖石在自重作用下存在初始地應(yīng)力，但變形在壩體建成前已經(jīng)完成，后期壩基以及壩體的變形和應(yīng)力只跟壩體重量以及作用于大壩上的荷載有關(guān)，因此，壩基巖石容重取零，即只考慮后期荷載施加產(chǎn)生的變形，不計初始地應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力錨索[1]預(yù)主錨索永久噸位3 200 kN，次錨索永久噸位2 400 kN。

2 計算模型

2.1 模型建立

1）模型范圍。選取壩段左岸邊墩，壩段長18 m，邊墩錨塊厚4 m，有限元計算模型壩基在上下游延伸150 m，深度方向上延伸100 m。三維有限元[2-4]壩體有限元網(wǎng)格剖分詳見圖1。

2）總體坐標(biāo)。 X 坐標(biāo)為順河向，指向下游為正；Y 坐標(biāo)為豎向，指向上為正；Z 坐標(biāo)為橫河向，指向右岸為正。

3）約束。壩體碾壓混凝土側(cè)面施加法向約束，基巖側(cè)面施加法向約束，底面基巖全約束。

4）壩體、壩基均采用Soilid45 單元，采用六面體網(wǎng)格。

圖1 溢流壩壩體有限元模型

2.2 材料計算參數(shù)

閘墩混凝土設(shè)計標(biāo)號為C35 F300 W6，錨塊混凝土設(shè)計標(biāo)號為C40 F300，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 錨索布置方式比選

考慮2 種錨索布置方式：

表1 混凝土材料參數(shù)[5]

方案一：弧門推力側(cè)布置8 根主錨索，見圖2。

方案二：弧門推力側(cè)布置8 根主錨索，非推力側(cè)布置3 根主錨索，見圖3

為了后處理方便，定義局部坐標(biāo)系，X 坐標(biāo)沿弧門推力方向指向下游側(cè)為正，Y 坐標(biāo)由右岸指向左岸正，Z 坐標(biāo)垂直向上為正。為詳細(xì)查看閘墩頸部法向應(yīng)力的變化，定義3 條應(yīng)力路徑，L1，L2，L3分別為左岸至右岸方向不同高程上應(yīng)力路徑。

圖2 方案1 閘墩頸向法向應(yīng)力沿3 條路徑分布圖

方案一：閘墩頸部非推力側(cè)最大法向拉應(yīng)力均較大，最大值達(dá)3.49 MPa，見表2。

表2 閘墩頸部非推力側(cè)最大法向拉應(yīng)力對比/GPa

方案二：閘墩頸部非推力側(cè)最大法向拉應(yīng)力明顯減小，路徑L2 上最大拉應(yīng)力為1.29 MPa，混凝土拉應(yīng)力區(qū)范圍為0.2 m，最大拉應(yīng)力未超過C20 混凝土抗拉強(qiáng)度2.40 MPa，路徑L1，L3 上閘墩頸部非推力側(cè)均為壓應(yīng)力，見表2。

采用方案二的錨索布置形式。

3.2 錨固槽位置的應(yīng)力分析

為查看錨固槽位置的應(yīng)力分布情況，定義路徑L4，L5，L6，L7，L8，L9，其路徑如圖4所示，各路徑a，b，c表示各路徑的Z 坐標(biāo)分別為-2，0，2。利用有限元計算，繪制各路徑下切向應(yīng)力圖和切向應(yīng)力沿路徑積分圖，得出錨固槽周邊應(yīng)力匯總?cè)绫?。

圖4 預(yù)留錨固槽處應(yīng)力路徑定義

通過計算以上18 種不同路徑，得出最大拉應(yīng)力時沿路徑L5b 路徑，拉應(yīng)力值最大值964.0 kN。偏于安全考慮，不計混凝土拉應(yīng)力，在錨固槽配筋計算時選用取最大拉應(yīng)力合力T =964.0 kN 計算配筋為宜。

表3 預(yù)留錨固槽周邊應(yīng)力匯總

4 結(jié)論

綜上，通過對2 種錨索布置方案比較，弧門推力側(cè)布置8 根主錨索、非推力側(cè)布置3 根主錨索方案可以明顯減少閘墩頸部非推力側(cè)拉應(yīng)力，錨索布置方案合理。對錨固槽位置的應(yīng)力分布分析，多種不同路徑應(yīng)力比較，篩選出最大應(yīng)力，為錨固槽配筋計算提供依據(jù)。