許 敏，雷 盼

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

1 工程概況

后水河水庫位于綏陽縣蒲場鎮(zhèn)，距離貴陽210 km。工程所在地綏陽縣位于貴州省高原北部，遵義市中部，大婁山山脈中段。水庫位于長江流域烏江水系二級支流(一級為湘江)仁江左岸的一條支流——后水河上游，為已建的一座以灌溉為主，兼有發(fā)電的中型水庫。壩址以上流域面積92.2 km2，多年平均年徑流量5 866萬m3。工程樞紐包括攔河壩(含沖砂底孔)、溢洪道、壩后電站、取水建筑物等?，F(xiàn)水庫總庫容1 650萬m3，正常蓄水位935.3 m。設計灌溉面積3 532 hm2(現(xiàn)保灌面積為2 444 hm2)。壩后電站裝機容量2×200 kW，主要供給周邊農村用電。該水庫于1966年開始設計，初期設計為混凝土連拱壩，后改為漿砌石重力壩，溢流壩段設置5孔8 m×2.5 m(寬×高)的平面鋼閘門，堰頂高程 932.5 m。簽于當時的歷史原因，整個工程并未竣工:大壩基本于1974年完工，閘門未安裝，正常蓄水位932.5 m，達不到灌田3 333.33 hm2的設計效益［1］。

2008年8月，受業(yè)主單位綏陽縣水利局委托，由我院承擔后水河水庫加高勘測設計工作。本文應用有限元計算軟件Ansys對水庫大壩加高后新老壩體結合面應力進行了分析，并根據(jù)分析結果，提出了初步的處理措施。

2 ANSYS有限元程序簡介［2］

20世紀60年代末70年代初，開始出現(xiàn)了大型商業(yè)通用有限元程序，這些商用有限元程序不但在分析功能方面幾乎覆蓋了所有的工程領域，其程序使用也非常方便，有一定電腦基礎的工程師，只要經(jīng)過簡單應用培訓，都可以在不長的時間內就能掌握、并應用該類程序分析實際工程項目［1］。工程結構分析的研究對象是物理力學模型，而有限元法的分析對象是將力學模型離散化后得到的有限單元模型。

ANSYS軟件是融結構、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，它可在大多數(shù)計算機和操作系統(tǒng)中運行，可與大多數(shù)CAD軟件接口。

ANSYS軟件應用于結構有限元項目，其典型的分析過程由前處理、求解計算和后處理3個部分組成［4］。ANSYS程序中可以直接輸入由關鍵點、線、面和體構成的力學幾何模型(程序稱為實體模型)，然后對其劃分網(wǎng)格形成有限單元模型。有限元法是隨著電子計算機的出現(xiàn)而產生的一種計算方法，它把求解區(qū)域劃分成許多小的在節(jié)點處互相連接的子域(單元)，然后在單元的節(jié)點上施加荷載、約束，進而進行求解。對于一些重要的工程，特別是對壩基深處的抗滑穩(wěn)定問題較嚴重的情況，除剛體極限平衡法外，常常要進行有限元分析與模型試驗，作為校核、驗證或深入研究的手段。

3 計算條件

3.1 計算模型

計算選取綏陽后水河重力壩的溢流壩段和擋水壩段分別建模。新老混凝土的基礎面采用薄層單元降彈模來模擬，基巖的選取范圍為2倍壩高，單元劃分采用8節(jié)點六面體，溫度場和應力場計算分別采用Solid70和Solid45單元模擬，兩者可以相互轉換。

3.2 邊界條件

1)溫度場計算邊界條件:地基部分的邊界按絕熱邊界條件處理;壩體與水接觸的邊界為第一類邊界條件，在蓄水過程中取為河水溫度，溫度為時間的函數(shù)，在正常運行期取庫水水溫，溫度為時間和空間的函數(shù);壩體與空氣接觸的邊界為第三類邊界條件，不同時段的表面放熱系數(shù)根據(jù)當?shù)仫L速與時間變化關系和固體表面放熱系數(shù)的變化關系而確定。

2)應力場計算邊界條件:基巖底部和四周都是法向約束。

3.3 計算參數(shù)

本溫度場計算按穩(wěn)定溫度場進行，為結構分析提供溫升和溫降荷載。夏季溫度場是按溫度邊界條件接近最高時所得計算穩(wěn)定溫度場，冬季溫度場和合攏溫度場同理計算。溫升荷載為夏季溫度場與合攏溫度場之差，溫降荷載為冬季溫度場與合攏溫度場之差。

壩址所在地區(qū)的水溫、氣溫、地溫見表1，計算用材料的熱力學參數(shù)見表2，材料的力學參數(shù)見表3。

表1 后水河壩址處水溫、氣溫及地溫資料

表2 結構材料熱力學參數(shù)

表3 結構材料力學參數(shù)

3.4 計算荷載及工況組合

計算考慮自重、水壓力、揚壓力及溫度荷載。計算工況表見表4，其中溫升荷載為7月份的溫度與穩(wěn)定溫度場之差，溫降荷載為1月份的溫度與穩(wěn)定溫度場之差。

表4 荷載工況組合表

4 計算結果

限于篇幅，只列出溢流壩段部分三維有限元分析，擋水壩段計算結果略去。

4.1 溢流壩段正常蓄水位工況

該工況計算溢流壩段正常蓄水位工況下，溫升、溫降的溫度應力。

計算結果表明，在夏季溫升工況下，新老壩體結合面以壓應力為主，壩體的最大壓應力為2.8 MPa，下游表面的最大壓應力為5 MPa，均在材料允許范圍。在冬季溫降工況下，新老壩體結合面的大部分區(qū)域受拉，最大拉應力為0.50 MPa，在老壩體的允許抗拉強度范圍內，溢流壩段下游表面也出現(xiàn)拉應力，最大值為1.28 MPa，在C25混凝土允許的拉應力范圍內，壩體的最大壓應力為2.8 MPa，在漿砌石的允許壓應力范圍內。由于漿砌石材料的變異，在防滲面板處、新老壩體接觸面出現(xiàn)應力突變現(xiàn)象。

4.2 溢流壩段設計洪水位工況

該工況計算溢流壩段在設計洪水位工況下溫升、溫降的溫度應力。設計洪水位與正常蓄水位僅相差0.49 m，對壩體的溫度場影響并不大。

計算結果表明，在夏季溫升工況下，新老壩體結合面以壓應力為主，壩體的最大壓應力為2.78 MPa，下游表面的最大壓應力為5 MPa，均在材料允許范圍。在冬季溫降工況下，新老壩體結合面的大部分區(qū)域受拉，最大拉應力值為0.25 MPa，在老壩體的允許抗拉強度范圍內，溢流壩段下游表面也出現(xiàn)拉應力，最大值為1.3 MPa，在C25混凝土允許的拉應力范圍內，壩體的最大壓應力為3.0 MPa，在漿砌石的允許壓應力范圍內。限于篇幅，略去計算結果。

4.3 溢流壩段校核洪水位工況

該工況計算溢流壩段在校核洪水位工況下，溫升、溫降的溫度應力。

計算結果表明，在夏季溫升工況下，新老壩體結合面以壓應力為主，壩體的最大壓應力為3.0 MPa，下游表面的最大壓應力為5.21 MPa，均在材料允許范圍。在冬季溫降工況下，新老壩體結合面的大部分區(qū)域受拉，最大拉應力值為0.45 MPa，溢流壩段下游表面也出現(xiàn)拉應力，最大值為1.31 MPa，在C25混凝土允許的拉應力范圍內，壩體的最大壓應力為3.2 MPa，在漿砌石的允許壓應力范圍內。限于篇幅，略去計算結果。

5 結論

有限元分析表明，大壩加高后，溢流壩段和擋水壩段中壓、剪應力均滿足規(guī)范要求［3］。但是在新老壩體結合面局部出現(xiàn)拉應力偏大現(xiàn)象，最大拉應力0.5 MPa。建議處理措施為:

1)將大壩下游壩坡用人工拆除呈高2 m、寬1 m的臺階狀，去除松動的石塊、骨料及碳化層，并用噴射水清洗。伴隨澆筑進度，在老壩面上刷上一層砂漿后立即澆筑混凝土。

2)在其結合面上鉆孔插筋(錨桿)，鋼筋長度3 m，埋入老壩體1.5 m，直徑Φ25。排列成梅花型布置于整個結合面。新老壩體結合面最大拉應力為0.5 MPa即500 kN/m2，錨桿間排距按0.5 m布置。

［1］貴州省水利水電勘測設計研究院.貴州省綏陽縣后水河水庫加高工程可行性研究報告［R］.綏陽:綏陽縣水利局，2009.

［2］劉亞麗，辛全才.基于ANSYS的滾水壩穩(wěn)定與應力分析［J］.水資源與水工程學報，2011，22(02):118 －121.

［3］SL 25—2006砌石壩設計規(guī)范［S］.