基于ANSYS的重力壩泄洪洞有限元分析

黃 娟，孫建生

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

水庫(kù)泄洪排沙洞，起著減小水庫(kù)泥沙淤積，延長(zhǎng)使用壽命，保證輸水管進(jìn)口不被泥沙淤積的作用。泄洪洞的存在使壩體應(yīng)力分布發(fā)生變化，周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，其應(yīng)力應(yīng)變分析在大壩整體分析中占重要部分。文章結(jié)合清峪水庫(kù)工程，采用ANSYS有限元軟件對(duì)重力壩進(jìn)行建模分析，以期得到泄洪洞周邊應(yīng)力分布規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 建立模型

1.1 工程概況

清峪水庫(kù)是一座以城鎮(zhèn)生活及工業(yè)供水為主，兼農(nóng)業(yè)灌溉的小型水庫(kù)，位于臨汾市鄉(xiāng)寧縣城西13 km處鄂河干流清川河口處。水庫(kù)總庫(kù)容233萬(wàn)m3，小（一）型水利工程，大壩設(shè)計(jì)洪水為30年一遇，最高壩高42.58 m。樞紐建筑物包括：非溢流擋水重力壩段，溢流重力壩段，泄洪排沙底洞和城鎮(zhèn)生活及工業(yè)輸水管進(jìn)水口壩段，右壩肩混凝土刺墻加土壩段。泄洪排沙壩段長(zhǎng)為18 m，底板高程為832.0 m，孔口高度尺寸為4×4 m，壩體內(nèi)部設(shè)置有廊道和閘門井。

1.2 建模

在此問(wèn)題中，涉及到壩基和壩體兩個(gè)部分，其中，壩體為混凝土，壩基為不同類別的圍巖體。文章采用的是彈線性模型，壩基采用三維實(shí)體8節(jié)點(diǎn)Solid45單元，壩體則采用ANSYS專門的混凝土單元SOLID65進(jìn)行模擬分析。單元采用自由網(wǎng)格方式進(jìn)行劃分，孔洞表面設(shè)置單元長(zhǎng)度為0.4 m，廊道和閘門0.5 m，壩體其余部分為1.0 m，壩體與壩基接觸面為1.0 m，壩基其余部分為1.5 m，最終壩體生成282 412個(gè)單元，壩基生成了126 686個(gè)單元。見圖1、圖2。

圖1 泄洪壩段三維模型

圖2 網(wǎng)格劃分圖

1.3 計(jì)算參數(shù)

文章考慮了空庫(kù)和工作兩種狀態(tài)，空庫(kù)狀態(tài)只考慮自重應(yīng)力和邊界條件，即施工完成時(shí)的狀態(tài)；工作狀態(tài)（設(shè)計(jì)水位），即在空庫(kù)狀態(tài)下增加水壓力和泥沙壓力。

根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告和壩體材料物理力學(xué)指標(biāo)，有關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

本壩為混凝土重力壩，大壩受自身重力的影響很大，空庫(kù)狀態(tài)即大壩建成以后，只受重力所引起的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

2.1 位移變化規(guī)律

從上游往下游看，選擇泄洪洞左下角節(jié)點(diǎn)，依次經(jīng)過(guò)排沙泄洪洞周圍各節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)上邊界，右邊界、下邊界，最后回到左下角節(jié)點(diǎn)，據(jù)此定義路徑，分析泄洪洞周邊應(yīng)力應(yīng)變。

空庫(kù)狀態(tài)，見圖3、圖4。

圖3 泄洪洞空庫(kù)總位移云圖

圖4 泄洪洞空庫(kù)位移曲線圖

由于受重力影響，大壩整體下沉，沿著水流方向，并且在豎直方向上從上到下，位移逐漸減小，最大位移出現(xiàn)在大壩上部，為0.002 737 m，泄洪洞周邊位移值變化比較均勻，也是從上到下逐漸遞減。X軸和Z軸有少量位移，變化不大，Y軸變化幅度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大，最大值為0.00 248 m。

工作狀態(tài)，見圖5、圖6。

圖5 泄洪洞工作狀態(tài)總位移云圖

圖6 泄洪洞工作狀態(tài)位移曲線圖

圖9 泄洪洞工作狀態(tài)等效應(yīng)力云圖

圖10 泄洪洞工作狀態(tài)等效應(yīng)力曲線圖

在工作狀態(tài)下的位移值也是從上到下逐漸遞減，泄洪洞附近從上游向下游,位移逐漸變小,最大位移值為0.002 595 m，出現(xiàn)在壩體上半部分到泄洪洞底部。相較于空庫(kù)狀態(tài)，由于受力增多，泄洪洞部分的位移變大。

2.2 應(yīng)力變化規(guī)律

圖7 泄洪洞空庫(kù)等效應(yīng)力云圖

圖8 泄洪洞空庫(kù)等效應(yīng)力曲線圖

由圖7可知，空庫(kù)狀態(tài)下的應(yīng)力主要集中在泄洪洞進(jìn)水口底板和壩趾處，大壩迎水面應(yīng)力較大，泄洪洞從上游往下，應(yīng)力逐漸變小，在入口和與豎井交匯處應(yīng)力最大，進(jìn)水口底板出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖8可以看出，泄洪洞周圍的應(yīng)力分布不均勻，變化量大，最小值出現(xiàn)在洞口上邊界，約為120 kPa，最大值出現(xiàn)在洞口左右邊界靠下的位置，為1 320 kPa，整體是從洞頂?shù)降匕?，逐漸增大。

由圖9可知，泄洪洞內(nèi)應(yīng)力分布大體仍然是從上游往下，逐漸變小，在入口和與豎井交匯處應(yīng)力最大。由圖10可以看出，洞口應(yīng)力從上至下逐漸增大，洞口上邊界的最小值約為 1 900 kPa，地板附近出現(xiàn)最大值為7 012 kPa。

3 結(jié)論

（1）排沙泄洪洞是大壩中的一個(gè)重要組成部分，其的存在使得大壩整體的應(yīng)力分布發(fā)生變化，ANSYS利用數(shù)值模擬分析，考慮了泄洪洞在壩體中的不對(duì)稱性和地基的影響，計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際，可為工程配筋設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）泄洪洞進(jìn)水口底板和大壩壩趾處應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以這兩處對(duì)材料的要求較高。泄洪洞從上游往下，應(yīng)力逐漸變小，在與豎井的交匯處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力增大，應(yīng)注意其相關(guān)設(shè)計(jì)。

[1]博弈創(chuàng)作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2]何本國(guó)，陳天宇，王洋，等.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2011.

[3]陳永波.有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2008.

[4]臨汾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.臨汾市鄉(xiāng)寧縣清淤水庫(kù)工程看擦報(bào)告[D].臨汾:臨汾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2007.

[5]孫建生，侯愛民.重力壩廊道周邊應(yīng)力有限元分析[J].水力發(fā)電，2011（9），49-52.

[6]林繼鏞.水工建筑物[M].北京:水利水電出版社，2009.作者簡(jiǎn)介：黃娟，女，1985年出生，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。