朱承志，徐曉燁

（南京瑞迪建設(shè)科技有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

有限元法是把壩體與地基等連續(xù)體分解為有限數(shù)目的離散單元體,單元與單元之間通過結(jié)點(diǎn)相鉸接,形成一個(gè)離散結(jié)構(gòu),凡是作用在單元上的荷載,都等效作用于結(jié)點(diǎn),作為結(jié)點(diǎn)荷載[1]。相較于材料力學(xué)法,具有計(jì)算精度高,能適應(yīng)各種復(fù)雜邊界條件的優(yōu)點(diǎn)。本文采取有限元法對(duì)壩體加固前后各工況下應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。

1 工程概況

雷公灘水庫位于漢江支流南河上游,壩址以上控制集雨面積1410 km2,多年平均徑流量為6.7×108m3。水庫原設(shè)計(jì)總庫容2550×104m3,死庫容1080×104m3,為Ⅲ等工程,是一座綜合利用的中型水庫工程。

根據(jù)大壩安全鑒定結(jié)論,主要存在排水孔出水量大,帷幕灌漿不能滿足要求,壩體壩基排水管堵塞失效,壩基揚(yáng)壓力偏高,壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定性不滿足要求等問題。

因此,主要的加固設(shè)計(jì)工程建設(shè)內(nèi)容包括：大壩加固工程（溢流壩段及非溢流壩段）、沖沙放空孔加固工程、灌溉輸水管加固工程、輸水隧洞加固工程、灌溉發(fā)電輸水干管加固工程等。加固措施無疑將改變壩體應(yīng)力分布,對(duì)加固后的應(yīng)力計(jì)算非常重要。

2 有限元法應(yīng)力分析

2.1 有限元模型建立

分別建立溢流壩段、非溢流壩段、灌溉發(fā)電輸水干管壩段三個(gè)典型斷面的三維有限元模型。有限元模型計(jì)算范圍：向上游截取2 倍壩高,向下游截取2 倍壩高,向基巖截取2倍壩高。在橫河向,非溢流壩段取寬度17 m,溢流壩段取寬度13 m,橫縫布置在閘墩中間,閘孔凈寬10 m,閘墩厚3 m,灌溉發(fā)電輸水干管壩段取寬度17 m。

坐標(biāo)系設(shè)置如下：x 向?yàn)轫樅酉?y 向?yàn)闄M河向,z 向?yàn)榇怪毕颉２捎昧骟w八節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分,溢流壩段共剖分13076 個(gè)單元,其中新壩砼6452 個(gè)單元,老壩砼1712 個(gè)單元；非溢流壩段共剖分10902 個(gè)單元,其中砼壩體4554 個(gè)單元,壩后回填石渣732 個(gè)單元,石渣擋墻624 個(gè)單元；灌溉發(fā)電輸水干管壩段模型共剖分7880 個(gè)單元,其中砼壩體4536 個(gè)單元。各典型斷面的有限元模型及網(wǎng)格剖分見圖1。

圖1 應(yīng)力計(jì)算有限元模型及網(wǎng)格剖分

2.2 計(jì)算參數(shù)及荷載組合

新壩體混凝土綜合彈性模量Ec=23 GPa；老壩混凝土綜合彈性模量Ec=22.0 GPa；基巖綜合變形模量ER=8.5.0 GPa；非溢流壩壩后回填石渣綜合變形模量0.45 GPa；非溢流壩壩后石渣擋墻綜合彈性模量6.0 GPa；砼泊松比0.17 基巖泊松比0.3。作用于壩體上的荷載及荷載組合見表1,共四個(gè)計(jì)算工況。

表1 荷載組合

2.3 加固前大壩結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用有限元法進(jìn)行典型部位強(qiáng)度分析結(jié)果見表2,不同工況下大壩的安全系數(shù)見表3。

表2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 不同工況下大壩的安全系數(shù)

由上述計(jì)算結(jié)果可知：

（1）在壩基帷幕有效,排水管淤堵失效,揚(yáng)壓力折減0.5情況下,非溢流壩和溢流壩段壩踵拉應(yīng)力區(qū)的范圍均超過規(guī)范規(guī)定的“壩踵拉應(yīng)力區(qū)小于0.07 倍壩底寬”,不滿足規(guī)范要求。

（2）非溢流壩段校核工況,壩踵處于拉應(yīng)力狀態(tài),不滿足規(guī)范要求。非溢流壩段其它工況和溢洪壩段各工況均滿足規(guī)范要求。

（3）非溢流壩由于壩高較低,各工況計(jì)算的安全系數(shù)都滿足規(guī)范要求；溢流壩由于壩高較高,其穩(wěn)定安全余度較低,設(shè)計(jì)工況、校核工況計(jì)算的安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

2.4 加固后計(jì)算分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,第一主應(yīng)力分布見圖2～圖4,圖中拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)；壩踵、壩址處應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。灌溉發(fā)電輸水干管壩段管道應(yīng)力分析結(jié)果見表5。

表4 典型斷面壩踵壩址處應(yīng)力分析結(jié)果

表5 灌溉發(fā)電輸水干管壩段管道應(yīng)力分析結(jié)果

圖2 非溢流壩段不同計(jì)算工況的第一主應(yīng)力分布

圖4 灌溉發(fā)電輸水干管壩段不同計(jì)算工況的第一主應(yīng)力分布

分析上述圖表可知：

（1）對(duì)于非溢流壩段,表4 結(jié)果顯示,雖然在校核洪水位情況下,壩踵處出現(xiàn)拉應(yīng)力,但其拉應(yīng)力范圍小于允許值2.6 m,滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

（2）對(duì)于溢流壩段,表4 結(jié)果顯示,雖然在各種計(jì)算工況下,壩踵處均出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力,但其拉應(yīng)力范圍小于允許值2.8 m,滿足相應(yīng)規(guī)范要求。另外,圖3 結(jié)果顯示,在弧形閘門支撐點(diǎn)部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,且在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和地震情況下,該部位的拉應(yīng)力分別為1.239 MPa、1.332 MPa、2.282 MPa、1.239 MPa,判定該部位鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生裂縫,這與實(shí)際運(yùn)行情況一致。

圖3 溢流壩段不同計(jì)算工況的第一主應(yīng)力分布

（3）對(duì)于灌溉發(fā)電輸水干管壩段,圖4 結(jié)果顯示,在各種計(jì)算工況下,引水灌溉發(fā)電輸水干管內(nèi)在進(jìn)出口附近的管頂和管底均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；表5 結(jié)果顯示,各種計(jì)算工況下,在進(jìn)出口附近的管腰處壓應(yīng)力達(dá)最大,最大值為1.056 MPa,進(jìn)出口附近的管頂和管底處的最大拉應(yīng)力為0.326 MPa,能滿足安全運(yùn)行要求。

3 結(jié)語

雷公灘水庫經(jīng)安全鑒定為“三類壩”。該水庫工程存在較嚴(yán)重的滲流阻塞、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工缺陷等質(zhì)量隱患問題,影響水庫大壩安全運(yùn)行,水庫綜合效益低下,影響水庫受益區(qū)民眾的正常生活,不利于水資源高效利用。對(duì)雷公灘水庫壩體進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì),同時(shí)利用有限元法對(duì)加固前后的效果從應(yīng)力分布角度進(jìn)行分析是客觀可信的,為工程效益評(píng)價(jià)及加固設(shè)計(jì)參數(shù)選取均提供了科學(xué)依據(jù)。