基于ANSYS 的某溢流双曲拱坝应力分析

黄德才 丁泽霖

（1.贵州省黔西南州望谟县水利局，贵州望谟 552300;2.华北水利水电学院，河南郑州 450011）

基于ANSYS 的某溢流双曲拱坝应力分析

黄德才1丁泽霖2

（1.贵州省黔西南州望谟县水利局，贵州望谟 552300;2.华北水利水电学院，河南郑州 450011）

基于三维有限元计算软件ANSYS对某混凝土双曲拱坝坝体应力分析，通过分析得出，拱坝最大位移发生在坝体表孔位置，但是坝顶开设表孔对坝体应力的影响是局部的，主要集中在孔口周边，而对坝体下部几乎没有影响，并总结规律，为工程设计、施工和加固处理提供了重要科学依据。

水工结构，应力分析，有限元，拱坝

1 概述

拱坝由于其经济性、安全性、抗超载能力强等优越性，在现代水利水电工程中越来越多的被采用，而且随着现代工程经验的不断积累和科技水平的进步，拱坝向着坝型更薄、坝体更高的方向发展［1］。由于拱坝主要是依靠左右坝肩山体的支撑来维持稳定，拱坝坝身强度直接决定工程的正常运行和安全性。由于拱坝通常采用表、深孔联合泄流的形式，破坏了拱圈的连续性，影响拱坝整体的应力变形规律［2，3］，因此，为了保证高拱坝工程的稳定和安全性，有必要针对高拱坝表孔对坝体应力变形的影响问题进行研究，有限元法是解决上述问题的重要途径之一［4］。

ANSYS是目前应用最为广泛的大型通用有限元软件，其在大坝、桥梁、隧道及房屋建筑等土木工程中得到了最为广泛的运用，是目前世界上唯一通过ISO 9001认证的有限元软件［5］。因此，分析选用该软件来对拱坝进行有限元静力分析。本文以某高拱坝坝体应力分析为研究对象，采用非线性有限元的ANSYS软件分析表孔影响下拱坝坝体应力分布情况，为工程设计、施工和加固处理提供了重要科学依据。

2 工程概述

某水电站拦河大坝为抛物线双曲拱坝，坝顶表孔溢洪道，坝顶高程507.0 m，坝底高程417.0 m，最大坝高90 m，坝顶宽5 m，坝底宽17.5 m，采用坝顶溢流，溢流段布置在坝中部，堰顶高程500 m，溢流净宽24 m，自由跌落水垫消能。拱坝体型如图1，图2所示。坝体材料为R200混凝土，容重2.4 t/m3，弹模2.8E6，泊松比0.167，线膨胀系数9×10－6/℃，导温系数3m2/月，多年平均气温19.1℃。坝基岩体容重2.7 t/m3，弹模1.8E6，泊松比0.27，线膨胀系数10×10－6/℃，导温系数3 m2/月。

图1 整体三维有限元网格全视图

3 有限元模型的建立

在有限元计算中，建模时作了一定的简化，考虑了溢流堰的开口形式，模型的单元剖分在ANSYS软件中进行，坝体采用Solid65单元，岩体采用Solid45单元。型两岸边界垂直河向约束，底面为三向固定约束，上、下游边界顺河向约束。计算中采用的直角坐标为:X轴方向与水流方向垂直，以向左岸为正;Y轴方向平行水流方向，以向下游为正;高度方向为Z轴方向，向上为正，坝前、坝后、左右岸拱端及底部地基取1倍坝高左右。整体三维有限元网格图、坝体有限元网格图分别如图1，图2所示。

图2 坝体三维有限元网格下游立视图

4 计算结果分析

4.1 变形分析

坝体上部位移大于下部位移，表孔处位移大于拱端位移，拱冠上部位移大于下部位移，径向位移大于切向位移。坝体位移总体上对称性较好。坝体径向变位整体趋向下游，其中，最大位移为1 cm，发生在溢流堰顶区域，如图3所示。

图3 下游坝面Y方向位移等值线图

4.2 应力分析

在孔口局部应力集中现象十分明显，上、下游的孔口周边均出现小范围的拉应力，但对坝体影响不大。坝体上、下游坝面主应力分布均近于对称。坝体下游面各种正应力基本均为压应力，最大主压应力出现在下游坝面419 m高程坝趾处，为7.36 MPa;坝体上游面部分为较小压应力，拉应力主要分布在上游坝面的拱端与基岩接触区，最大主拉应力为1.17 MPa，在463.875 m高程上游面左拱端处，上、下游应力第一主应力分布图如图4，图5所示。

图4 上游坝面第一主应力等值线图

图5 下游坝面第一主应力等值线图

5 结语

文章采用ANSYS的三维有限元建模，针对高拱坝坝顶开设大表孔泄水对坝体应力变形的影响问题进行研究，分析了拱坝在荷载作用下各个部位的应力分布状况，主要分析结论可归纳如下:

1）坝体整体的变形趋势是向下游方向，最大位移为1 cm，发生在溢流堰顶区域;

2）拱坝表孔处局部应力集中现象十分明显，上、下游的孔口周边均出现小范围的拉应力，但对坝体影响不大。

［1］潘家铮，何璟.中国大坝50年［M］.北京：中国水利水电出版社，2000.

［2］朱伯芳.拱坝设计与研究［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.

［3］邹爽，李小可.大表孔拱坝应力分析［J］.贵州水力发电，2007，21（3）：44-46.

［4］刘先珊，周创兵，王军.复杂条件下高拱坝应力及坝肩稳定分析［J］.岩土力学，2008，29（1）：225-229.

［5］张朝晖.ANSYS 11.0有限元分析理论与工程应用［M］.北京：电子工业出版社，2008.

Stress analysis on an overflow hyperbolic arch dam based on ANSYS

HUANG De-cai1DING Ze-lin2

（1.Water Conservancy Bureau ofWangmo County，Southwest Qian of Guizhou Province，Wangmo 552300，China; 2.North China University ofWater Resources and Electric Power，Zhengzhou 450011，China）

This papermade stress analysis on a concrete hyperbolic arch dam based on three-dimensional finite element calculation software ANSYS，through the analysis gained，the largestdisplacementofarch dam occurred in the surface hole position of dam，but the influence ofopening surface holes in dam head to dam stresswere local，mainly concentrated in the outlets circum，had almostno effect to the dam.And summarized the laws，provided important scientific basis to engineering design，construction and reinforcement treatment.

hydraulic structure，stress analysis，finite element，arch dam

TV541

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.063

1009-6825（2012）19-0249-02

2012-05-03

黄德才（1971-），男，工程师