基于ANSYS軟件的壩體加固有限元分析及開裂模擬

田 濤，王 建（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南長(zhǎng)沙410007）

基于ANSYS軟件的壩體加固有限元分析及開裂模擬

田 濤，王 建（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南長(zhǎng)沙410007）

本文采用三維非線性有限元分析方法對(duì)混凝土單支墩大頭壩加固改造為重力壩進(jìn)行應(yīng)力變形計(jì)算和壩體開裂模擬，結(jié)果表明：在竣工期和滿蓄期大壩的應(yīng)力及變形分布規(guī)律基本合理；位移值也在規(guī)范允許范圍內(nèi)；水庫加固正常蓄水后，壩體出現(xiàn)開裂可能性較小。

ANSYS軟件；壩體加固；有限元分析；開裂模擬

按湖南省第一次水利普查資料顯示，湖南現(xiàn)有水庫總數(shù)14121座，占到全國(guó)的1/7，居全國(guó)第一位。部分水庫由于設(shè)計(jì)和施工時(shí)科技水平的限制，地質(zhì)勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工都存在一些問題，隨著壩體老齡化，這部分水庫不能在原有設(shè)計(jì)工況下正常運(yùn)行，進(jìn)行除險(xiǎn)加固是十分迫切和必要的。本文采用有限單元法，針對(duì)茶安水庫混凝土單支墩大頭壩壩體加固這一案例，對(duì)加固后壩體在不同工況荷載的應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行了模擬分析，得出了大壩的應(yīng)力和位移分布規(guī)律，并對(duì)壩體開裂進(jìn)行了模擬計(jì)算，論證了加固方案的可行性。

1 工程概況

茶安水庫原名仙下水庫，始建于1958年9月，是一座以灌溉為主的Ⅲ等中型水庫，現(xiàn)有大壩為混凝土單支墩大頭壩，由9個(gè)支墩和左右岸邊墩組成，壩頂高程211.645m，最大壩高41m，壩頂寬3.2m，支墩之間設(shè)有0.6m厚的肋墻，間距5m，2002年除險(xiǎn)加固時(shí)在支墩空腔采用了鋼筋混凝土底拱，底拱上回填砂卵石至肋墻頂。

設(shè)計(jì)加固方案：壩頂高程加高至215.01m，在壩后對(duì)壩體加寬7m，壩頂寬度變?yōu)?3m，拆除肋墻，清除原壩體內(nèi)部回填的砂卵石及支墩空腔間的底拱及底板，清基至弱風(fēng)化層，采用C20混凝土進(jìn)行回填，與原壩體形成一整體，形成一實(shí)體重力壩。

2 計(jì)算原理

茶安水庫大壩加固后，其壩體形式由現(xiàn)在混凝土單支墩大頭壩變?yōu)榛炷林亓?，壩體由混凝土支墩大頭壩和壩后加固體兩部分組成。加固體與原壩體結(jié)構(gòu)一起形成了一種二次組合結(jié)構(gòu)，新舊兩部分結(jié)構(gòu)存在整體工作共同受力的問題。整體工作的關(guān)鍵，取決于結(jié)合面的狀況，新舊壩體結(jié)合之間空隙的大小決定了新舊壩體分擔(dān)上游水壓力荷載的大小。當(dāng)新舊壩體結(jié)合面之間的空隙較大時(shí)，混凝土單支墩大頭壩將承擔(dān)較大的上游水壓力。在高應(yīng)力作用下，壩體可能會(huì)發(fā)生局部開裂破壞。因此，有必要采用有限單元法對(duì)結(jié)合面空隙的大小對(duì)舊壩結(jié)構(gòu)受力的影響進(jìn)行研究。

3 計(jì)算模型及方法

3.1 計(jì)算模型

本文采用三維線性有限元法計(jì)算茶安水庫大頭支墩舊壩，加固體在竣工期及蓄水期的應(yīng)力變形特征。加固體及舊壩均按各向同性線彈性體模擬，開裂采用分布式裂縫模型模擬。

大壩三維有限元計(jì)算范圍：X方向由右岸指向左岸；Y軸由下游指向上游；Z軸鉛直向上。

大壩結(jié)構(gòu)和壩址區(qū)巖體的物理力學(xué)參數(shù)如表見表1?；炷恋目估瓘?qiáng)度取為1.30MPa。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

在所選用的模型模擬范圍內(nèi)，巖體8采用等參塊體單元SOLID45。大壩結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有壩體及加固體均為混凝土的塊體結(jié)構(gòu)，采用混凝土單元SOLID65模擬，為了更精確的模擬其力學(xué)行為，對(duì)大壩采用網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。

3.3 計(jì)算方法

茶安水庫大壩模型邊界條件為：模型底面施加鉛直約束，巖體的上游斷面，下游斷面和各個(gè)側(cè)面加與該面垂直的約束，巖體的頂部表面和大壩表面按自由面處理。荷載取值按相關(guān)規(guī)范，結(jié)合大壩設(shè)計(jì)時(shí)確定的不同水位，制定了不同的計(jì)算工況。

壩體開裂模擬以校核水位為基本荷載，通過在舊壩體上游施加不同比例的基本荷載，對(duì)結(jié)合面空隙的大小進(jìn)行間接模擬。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 模型壩體及壩基位移計(jì)算結(jié)果

（1）空庫工況下，同一高程而言，壩體下游面鉛直向位移大于上游面鉛直向位移；壩體鉛直位移隨距壩趾距離的增加而減小，壩趾最大位移為2.822mm（沉降），壩頂最大位移為1.951mm（沉降），壩踵最大位移為1.5mm（沉降）；壩基巖體鉛直向位移隨距壩體距離的增加而減小，建基面下游壩趾處鉛直位移最大；壩體水平y(tǒng)向位移整體隨高程增加而變化，整個(gè)壩體的水平位移均較小，壩基內(nèi)水平y(tǒng)向位移沿水平方向變化，壩軸線上游側(cè)巖體向上游變位，壩軸線下游側(cè)巖體向下游變位。

（2）設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和正常蓄水位三個(gè)工況壩體及壩基變位分布呈現(xiàn)的規(guī)律相近。壩體位移分布特征為：壩體在上游水壓力的作用下整體傾向下游變位，垂直方向仍為沉降；垂直位移隨距壩趾的距離增加而減小，壩趾處的位移最大。整個(gè)壩體的水平位移均較小，壩基內(nèi)水平y(tǒng)向位移沿水平方向變化，壩軸線上游側(cè)巖體向上游變位，壩軸線下游側(cè)巖體向下游變位。

4.2 壩體結(jié)構(gòu)及壩基應(yīng)力特性

（1）在空庫工況壩體及壩基的大主應(yīng)力（壓應(yīng)力）隨高程降低而增大，就同一高程而言，兩側(cè)壩體應(yīng)力較大而中間壩段壩體應(yīng)力較小，壩體上下游面應(yīng)力較大，而中間應(yīng)力較小。壩體新舊混凝土膠結(jié)面處存在應(yīng)力突變現(xiàn)象。

（2）設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和正常蓄水位三個(gè)工況壩體及壩基應(yīng)力分布呈現(xiàn)的規(guī)律相似，因此，本文中僅給出正常蓄水位工況壩體及壩基的應(yīng)力云圖，如圖1所示。由圖可知，壩體及壩基應(yīng)力隨高程的增大而減小，隨上游水壓力的增加，上游壩踵應(yīng)力隨之減小，下游壩趾則隨之增加，正常蓄水位工況壩趾處大主應(yīng)力最大值約為2.33MPa（壓應(yīng)力），設(shè)計(jì)洪水工況為2.55MPa，校核洪水工況為2.55MPa。同時(shí)，在新舊混凝土膠結(jié)面上存在應(yīng)力突變現(xiàn)象。

圖1 正常蓄水位工況壩體及壩基σ1橫剖面應(yīng)力云圖

三種工況下，壩體及壩基小主應(yīng)力分布規(guī)律也基本相似，即受上游水壓力作用及壩基強(qiáng)風(fēng)化層的影響，壩體的建基面附近存在拉應(yīng)力區(qū)，正常蓄水位工況拉應(yīng)力最大值為0.506MPa，設(shè)計(jì)洪水工況為0.506Pa，校核洪水工況為0.506MPa。

4.3 壩體開裂模擬結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，將校核水位時(shí)上游水壓力全部施加在模型上進(jìn)行計(jì)算時(shí)，壩體未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因此以下僅給出該工況的計(jì)算結(jié)果。

圖2 計(jì)算壩段壩體σ1應(yīng)力云圖 圖3計(jì)算壩段壩體開裂位置示意圖

由圖2可知，計(jì)算壩段壩體最大拉應(yīng)力約為0.6MPa；由圖3可知，整個(gè)壩體無開裂現(xiàn)象發(fā)生。

5 結(jié)論

通過大壩三維非線性有限元靜力分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）同一高程而言，壩體下游面鉛直向位移大于上游面鉛直向位移，且壩體鉛直位移隨距壩趾距離的增加而減小。同時(shí)，上游壩踵處鉛直位移隨上游水壓力增加而減小，而壩趾處鉛直位移則隨之增加。壩基巖體鉛直向位移隨距壩體距離的增加而減小，建基面下游壩趾處鉛直位移最大。整個(gè)壩體的水平位移均較小，壩基內(nèi)水平y(tǒng)向位移沿水平方向變化，壩軸線上游側(cè)巖體向上游變位，壩軸線下游側(cè)巖體向下游變位。

（2）壩體及壩基應(yīng)力隨高程的增大而減小，隨上游水壓力的增加，上游壩踵應(yīng)力隨之減小，下游壩趾則隨之增加。同時(shí)，在新舊混凝土膠結(jié)面上存在應(yīng)力突變現(xiàn)象。壩體及壩基小主應(yīng)力分布規(guī)律也基本相似，壩體的建基面附近存在拉應(yīng)力區(qū)。

壩體及壩基的垂直向應(yīng)力σz隨高程降低而增大，就同一高程而言，壩體上下游面應(yīng)力較大，而中間應(yīng)力較小。由于受到壩體上游水壓力的作用，壩體的應(yīng)力與空庫工況相比有明顯減小。新舊混凝土膠結(jié)面處應(yīng)力出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象。同時(shí)，隨著水壓力的增加，上游壩踵處應(yīng)力隨之減小，下游壩趾處應(yīng)力隨之增大。

（3）由模擬結(jié)果可知，水庫加固正常蓄水后，壩體出現(xiàn)開裂可能性較小。

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TV31

A

2095-2066（2016）33-0085-02

2016-11-12

田 濤（1982-），男，工程師，本科，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)研究工作。