重力壩泄洪孔弧門支承梁靜力有限元分析研究

蘇慧敏

(山西省水利水電工程建設監理有限公司，山西 運城 030002)

1 緒 論

混凝土壩壩體泄洪一般通過中、底孔進行部分泄洪，泄放流量相比表孔較小，溢流壩和泄洪孔宜同步施工，相互配合使用。大壩庫水位越大，壩體越高，泄洪孔的施工技術難度越大。泄洪孔的設計要考慮樞紐布置、地質條件和效益發揮等因素，同流量泄放時，表孔溢流壩相比壩體泄水孔節約工程造價。從受力變形方面來講，壩身開孔將改變壩體應力場分布，開孔位置易產生應力集中現象，該位置較長出現混凝土裂縫，對大壩安全穩定性造成一定困擾[1]。因此，有限元分析時將該類應力集中問題及區域作為重點關注，設計時應仔細復核孔洞的受力承載能力。

2 工程實例

2.1 工程概況

某重力壩位于甘肅省境內，最大壩高59.0m，壩頂高程1751.0m，壩頂全長151.0m[2]。樞紐建筑物主要為：混凝土重力壩、電站廠房、泄洪底孔等組成。有限元模擬：壩體混凝土采用六面體等參單元模擬，模型共有單元總數153682；節點總數42164[3]。重力壩泄洪底孔壩段三維有限元模型如圖1所示，弧門支承梁見圖2。

圖1 重力壩泄洪底孔壩段三維數值模型

圖2 弧門支承梁體形圖

2.2 物理參數

混凝土容重25kN/m3；泊松比1/6；混凝土強度及彈性模量見表1。

表1 混凝土力學參數表

鋼筋力學參數見表2。

表2 鋼筋強度和彈性模量

2.3 計算結果

重力壩泄洪底孔壩段弧門支承梁應變計算結果見表3，位移變化計算結果見表4。

表3 弧門支承梁應變計算結果

表4 弧門支承梁位移變化計算結果

從表可以看出不同工況的弧門支承梁均施加弧門推力，應力值都偏大，弧門支承梁的正、剪應力基本一致，工況三的應力值較大[4]。文章選取工況三的剖面應力等值線計算結果作為展示。壩段典型剖面位置選取如圖3-圖8所示；弧門大梁剖面位置如表5所示。

表5 弧門大梁剖面位置表

圖3 1#剖面X方向正應力sx

圖4 1#剖面Y方向正應力σy

圖5 1#剖面Z方向正應力σz

圖6 2#剖面X方向正應力sx

圖7 2#剖面Y方向正應力σy

圖8 2#剖面Z方向正應力σz

由上述圖示結果可得出，順水流方向的最大正拉應力為2.624MPa，出現在弧門推力作用點附近，作用范圍較窄；最大壓應力為10.58MPa，同樣出現在弧門推力的作用點上，分析因為應力集中造成局部變形過大。未施加弧門推力時，順水流方向正應力均較小，壩軸線方向拉應力值最大為1.226MPa。最大壓應力為5.42MPa，拉、壓應力極值位置同弧門推力作用點。豎直方向拉應力最大值為2.296MPa，在大壩右岸的梁端上部[5]。弧門支承梁位移變形最值為1.105mm、2.384mm、0.483mm，出現位置分別為推力作用點、門支承梁的左端和左下端位置。

3 結 論

文章結合實際工程建立重力壩泄洪壩段的三維有限元模型，計算分析重力壩弧門支承梁不同受力荷載下的應力變形，通過三種不同工況對比分析認為：施加弧門推力后的支承梁局部壓應力極值較大，但均超過混凝土抗壓設計強度，在該位置應加強鋼筋配置，保證該位置的承載穩定，結果表明該大壩弧門支承梁受力穩定，結構設計合理。