重力壩壩體材料分區(qū)應(yīng)力分布特征

王 軍

(丹東大禹水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 丹東 118000)

重力壩是一種常見的水利工程結(jié)構(gòu)物，是水利工程樞紐的關(guān)鍵建筑物。重力壩的穩(wěn)定性關(guān)系到水利樞紐的正常運(yùn)行。重力壩主要依靠自身重力維持穩(wěn)定，在使用混凝土澆筑時(shí)，往往需要大量的材料，容易造成浪費(fèi)。因此，有較多學(xué)者對混凝土重力壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，常用的方法包括：改進(jìn)粒子群算法[1]、非線性規(guī)劃法[2]、遺傳算法[3]、幾何優(yōu)化算法[4]、拓?fù)鋬?yōu)化算法[5]、ANSYS數(shù)值模擬方法[6]等，這類方法使用計(jì)算機(jī)程序語言對重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的重要參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化選取，通過工程實(shí)踐的檢驗(yàn)取得了較好的效果。重力壩結(jié)構(gòu)斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，可進(jìn)行材料分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)壩體內(nèi)部應(yīng)力分布特征選取合適的澆筑材料，從而達(dá)到科學(xué)合理設(shè)計(jì)的目標(biāo)。重力壩材料分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)中控制壩踵部位應(yīng)力是難點(diǎn)問題之一[7- 8]。崔盼[9]、張邦琳等[10]認(rèn)為在不同部位使用不同強(qiáng)度參數(shù)的材料有助于減小壩體內(nèi)部尤其是壩踵的最大拉應(yīng)力，從而優(yōu)化壩體內(nèi)部的應(yīng)力分布。

本文以實(shí)際工程為例使用優(yōu)化過后的重力壩斷面建立不同分區(qū)材料的有限元數(shù)值模擬模型，對不同壩體材料分區(qū)壩體內(nèi)部應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究。

1 工程概況

重力壩位于遼寧省某市，壩體總高20m，頂寬5m，主要功能為蓄水解決當(dāng)?shù)赜盟畣栴}，同時(shí)在洪水期擔(dān)任部分防洪排澇作用。采用混凝土進(jìn)行澆筑，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)截面為上游折點(diǎn)高度為10m，下游折點(diǎn)高度為15m。上游坡高比為1∶0.2，下游坡高比為1∶0.7。重力壩底寬為17.5m。

2 重力壩材料分區(qū)

根據(jù)重力壩設(shè)計(jì)截面使用三種分區(qū)方式。①均勻分區(qū)；②在上下游折點(diǎn)高度處進(jìn)行水平分區(qū)；③在上下游折點(diǎn)處垂直分區(qū)如圖1所示。使用四種不同強(qiáng)度的混凝土材料進(jìn)行澆筑，其中C1～C4表示混凝土彈性模型為：25.5、20、38、14GPa。分區(qū)方式一均采用C1材料進(jìn)行澆筑。分區(qū)方式二各材料澆筑方案見表1。分區(qū)方式三各材料澆筑方案見表2。分區(qū)方式四各材料澆筑方案見表3。

表1 分區(qū)方式二各材料澆筑方案

表2 分區(qū)方式三各材料澆筑方案

表3 分區(qū)方式四各材料澆筑方案

圖1 分區(qū)方式示意圖

3 不同分區(qū)條件下重力壩壩體應(yīng)力分布特征

在基本荷載工況下，對分區(qū)方式一的應(yīng)力分布特征進(jìn)行計(jì)算(壩體使用材料C1澆筑，壩基使用材料C2澆筑)，建立數(shù)值模擬進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。壩踵-壩趾隨著距離變化的應(yīng)力分布如圖2所示。當(dāng)壩體下方混凝土材料的彈性模量增大時(shí)，壩趾處的水平方向應(yīng)力也會(huì)隨著增大，這將會(huì)對壩體結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；當(dāng)壩體下方混凝土材料的彈性模量較小時(shí)，壩趾處的水平方向應(yīng)力也會(huì)隨著減小，但壩踵處的拉應(yīng)力會(huì)增大、壩趾處的壓應(yīng)力也增大。因此，在進(jìn)行壩體材料分區(qū)時(shí)，應(yīng)采用更為細(xì)致的分區(qū)方式，從而使得壩體內(nèi)部應(yīng)力分布較為合理，因此應(yīng)對分區(qū)方式二、三、四這3種更為細(xì)致的分區(qū)方式即材料澆筑方案三-方案十六共14種材料澆筑方案進(jìn)行研究。

圖2 分區(qū)方式一、分區(qū)方式二數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

各方案三-方案十六與壩體為分區(qū)應(yīng)力分析結(jié)果見表4。

表4 不同方案應(yīng)力分析結(jié)果 單位：MPa

根據(jù)表4所示，與壩體未分區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果相比，當(dāng)分區(qū)方式三分區(qū)3和分區(qū)4、分區(qū)方式四分區(qū)3和分區(qū)5采用C4材料進(jìn)行澆筑時(shí)壩踵區(qū)的主應(yīng)力產(chǎn)生小幅度的減小，壩踵和壩址區(qū)的水平方向應(yīng)力減小約25%～40%，但壩踵區(qū)的主應(yīng)力增大約12%，這種應(yīng)力分布情況對重力壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不利。當(dāng)分區(qū)方式三分區(qū)3和分區(qū)4、分區(qū)方式四分區(qū)3和分區(qū)5采用C3材料進(jìn)行澆筑時(shí)壩踵及壩址區(qū)的主應(yīng)力減小約10%～45%，但壩址區(qū)的水平方向應(yīng)力產(chǎn)生較大幅度的增大，這對重力壩下游的穩(wěn)定性較為不利，方案三～方案十為較為不合理的分區(qū)和材料澆筑方案。

因此，對分區(qū)方式四的其他混凝土材料澆筑方案進(jìn)行研究，即方案十一-方案十六。當(dāng)分區(qū)3使用C4進(jìn)行澆筑，分區(qū)5使用C3材料進(jìn)行澆筑時(shí)，壩踵和壩趾區(qū)的主應(yīng)力產(chǎn)生減小，壩趾部位的水平方向應(yīng)力增大，方案十一不合理；當(dāng)分區(qū)3使用C3進(jìn)行澆筑，分區(qū)5使用C4材料進(jìn)行澆筑時(shí)，壩踵區(qū)的水平方向應(yīng)力和壩趾區(qū)域的主應(yīng)力和水平方向均有一定程度的減小，但壩踵部位的主應(yīng)力增大約27%，這對重力壩的穩(wěn)定性也是不利的，方案十二不合理；當(dāng)分區(qū)3使用C4進(jìn)行澆筑，分區(qū)5使用C1材料進(jìn)行澆筑時(shí)，壩踵和壩趾區(qū)的主應(yīng)力以及水平方向應(yīng)力分別減小約3%、40%、19%、8%，因此，方案十三是可行的；方案十四應(yīng)力分布特征與方案十二類似，是不合理的；當(dāng)分區(qū)3使用C1進(jìn)行澆筑，分區(qū)5使用C3材料進(jìn)行澆筑時(shí)，壩踵和壩趾區(qū)的主應(yīng)力減小，水平方向應(yīng)力增大，因此方案十五、方案十六不合理。方案十一與方案十六和方案十三的混凝土材料梯度差值方向是一致的，但前兩者混凝土彈性模量梯度差值為24GPa和12.5GPa，方案十三的彈性模量梯度差為11.5GPa，因此，可以認(rèn)為是梯度差值較差導(dǎo)致方案十一與方案十六重力壩內(nèi)部應(yīng)力分布較為不合理。

4 結(jié)論

(1)在進(jìn)行重力壩結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行混凝土澆筑材料分區(qū)設(shè)計(jì)，共選取了四種分區(qū)方式十六種混凝土澆筑方案，結(jié)果表明有效的梯度差方向有助于重力壩內(nèi)部應(yīng)力的優(yōu)化，方案十三為最優(yōu)的分區(qū)方式和最優(yōu)的混凝土材料澆筑方案。

(2)在保證混凝土彈性模量梯度差值方向一致的情況下，差值大小為影響應(yīng)力分布的主要影響因素，通過對比方案十一、方案十三、方案十六，認(rèn)為11.5GPa為較為合適的混凝土澆筑彈性模量梯度差值，該結(jié)果可為類似工程提供參考。