周朝+++張子琴

摘 要：重力壩的主要安全評價指標(biāo)是應(yīng)力分析和抗滑穩(wěn)定分析，目前有限元法是進(jìn)行重力壩應(yīng)力分析的主要方法。由于其能夠較好的模擬壩體和壩基接觸、可求解許多復(fù)雜的工程問題、計算精度較高等眾多優(yōu)點(diǎn)，故其在工程計算中具有廣泛的應(yīng)用前景。利用大型有限元分析軟件Ansys對某重力壩工程進(jìn)行三維有限元分析，并得出有益結(jié)論，希望對實際工程起到參考性作用。

關(guān)鍵詞：重力壩；Ansys；三維有限元；應(yīng)力分析

前言

重力壩是水利工程建設(shè)中較為常見的壩型，在重力壩的設(shè)計過程中應(yīng)力分析和穩(wěn)定分析是最為重要的兩個部分。材料力學(xué)法是重力壩應(yīng)力分析的傳統(tǒng)分析方法，但由于其做了許多假定和簡化，故計算結(jié)果誤差較大，而有限元法相比材料力學(xué)法具有較高的計算精度，故有限元法在壩工計算中具有廣泛的應(yīng)用前景。鑒此，本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對某混凝土重力壩工程進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，并分析溢流壩段和非溢流壩段的應(yīng)力和變形規(guī)律，最后提出相應(yīng)的改善措施。

1 工程概況

某水庫位于遼陽市弓長嶺區(qū)南沙村東，地處太子河干流中部，其控制流域面積為6175平方千米，兼具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水多功能的綜合利用的水利樞紐。擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高45.8m，壩頂寬度為5m，壩頂長度為477m，分成33個壩段，其中有13個位溢流壩段，溢流壩段寬度均為13m，重力壩上游面為鉛直，下游面坡比為1：0.75。建基面高程為55m，正常蓄水位為96.60m，對應(yīng)的下游水位為60m；設(shè)計洪水位為96.81m，對應(yīng)的下游水位為65.20m；校核洪水位為100.48m，對應(yīng)的下游水位為69m。其非溢流壩和溢流壩段剖面圖如圖1、圖2所示。

2 重力壩三維有限元數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬需要經(jīng)歷前處理、求解、后處理三個步驟；其中前處理中的建立重力壩的三維模型是最復(fù)雜的過程。為了簡化建模，此處忽略了閘墩和工作橋?qū)χ亓螒?yīng)力分析的影響。為了真實的反映重力壩各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，在建模的過程中需要考慮地基變形對壩體應(yīng)力和變形的影響。分別沿壩踵和壩趾向上、下游取1倍壩高距離的地基進(jìn)行分析，地基的深度也取為1倍的壩高。地基和壩體的計算參數(shù)如表1所示。

本次重力壩模型是通過AUTO CAD軟件進(jìn)行三維建模，建立好物理模型之后將其導(dǎo)入到ANSYS中，通過表1來定義其材料屬性，并采用Solid185單元。定義好材料屬性和單元類型后，采用自由分網(wǎng)對重力壩模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，其三維有限元網(wǎng)格如圖3所示。

2.2 載荷施加

對有限元網(wǎng)格模型進(jìn)行施加載荷包括兩部分：一是邊界處的位移載荷，二是壩體及壩基承受的外力載荷。對上述模型左右岸垂直的壩基面施加水平方向的位移載荷，令其位移為零；對基礎(chǔ)的地面施加豎直方向的位移載荷，令其位移為零；對上下游的垂直地基面施加沿水流方向的位移載荷，令其位移為零。

重力壩在正常運(yùn)用期主要承受自重、揚(yáng)壓力、靜水壓力三種荷載，為了簡化計算，此處只要考靜水壓力和自重荷載。按表1來設(shè)置壩體和壩基材料的物理特性參數(shù)。因為在建壩之前壩基沉降已經(jīng)穩(wěn)定，為了反映壩體的真實沉降，故此處需做改進(jìn)，即將地基設(shè)置為無質(zhì)量地基。但需注意采用無質(zhì)量地基則不能反映地基內(nèi)的真實應(yīng)力，因為此處只研究壩體的變形和應(yīng)力，故可作此處理。同時分別在壩體的上游面和下游面以及與水接觸的河谷面施加水荷載，此處計算采用正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位三種工況，其各工況如表2所示。

2.3 成果分析

對上述模型進(jìn)行求解便可得到各結(jié)點(diǎn)的位移，從而得到壩體內(nèi)各點(diǎn)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力，最后便可生成大壩的應(yīng)力云圖和位移云圖。此處以校核水位工況下的應(yīng)力云圖和位移云圖為例。在進(jìn)行重力壩的有限元分析我們最關(guān)心第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力、豎直方向的應(yīng)力、豎直方向的位移、水平方向的位移。通過計算其應(yīng)力、位移云圖如圖4-圖9所示。

通過上述應(yīng)力云圖可知豎直方向最大拉應(yīng)力和第一主應(yīng)力均發(fā)生在靠近河谷兩側(cè)的壩踵處，而最大壓應(yīng)力發(fā)生在非溢流壩段的下游壩趾處；其中最大豎向拉應(yīng)力為0.166MPa，最大拉應(yīng)力為0.915MPa，最大壓應(yīng)力1.13MPa；故在校核水位情況下大壩滿足強(qiáng)度要求。

通過上述位移云圖可知壩體豎向最大沉降位移發(fā)生在溢流壩段和非溢流壩段靠下游的中上部分區(qū)域，沿水流方向最大位移和總位移均發(fā)生在靠近河谷最近的非溢流壩段頂部區(qū)域；其中最大豎向沉降位移（即下表中的（uy）amx）為1.02mm，沿水流方向最大位移（即下表中的（uz）amx）為1.4mm。

分別計算三種運(yùn)用工況，求得各工況下的最大應(yīng)力和位移如表3所示。

由計算結(jié)果可知在三種運(yùn)用工況下重力壩均可滿足其強(qiáng)度安全。由分析可知當(dāng)上游水位越高，最大應(yīng)力和位移并不一定越大，因為壩體的最大應(yīng)力和位移與下游水位也有關(guān)系。故在進(jìn)行重力壩的應(yīng)力應(yīng)變分析時不能僅僅只看校核水位情況下的應(yīng)力和變形，而要計算各種工況并綜合其成果來進(jìn)行重力壩的設(shè)計。

3 結(jié)束語

（1）重力壩在運(yùn)用期，其局部壩踵處容易出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，為防止壩體混凝土被拉裂，需在拉應(yīng)力較大區(qū)域配置受拉鋼筋。最大壓應(yīng)力通常發(fā)生在非溢流壩段的壩趾處，一般情況下最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，但為了安全起見，在壓應(yīng)力較大區(qū)域宜采用高強(qiáng)混凝土。（2）重力壩在運(yùn)用期，其豎向沉降位移和沿水流方向的位移通常較小，故不會造成安全隱患。（3）在建造重力壩之前，地基已經(jīng)沉降穩(wěn)定，故本文中采用無質(zhì)量地基可以真實的反映壩體位移，但不能真實的反映地基內(nèi)的應(yīng)力，如需解決此問題，可進(jìn)一步研究。

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