基于ANSYS的浆砌石拱坝应力分析

2016-10-13窦艳飞

治淮 2016年9期

窦艳飞

基于ANSYS的浆砌石拱坝应力分析

窦艳飞

拱坝坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，这是拱坝区别于重力坝、土石坝的一个显著特点。拱坝是一个空间弹性壳体，其几何形状和边界条件都很复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。在拱坝应力分析中，几种常用的方法有纯拱法、拱梁分载法及其简化形式拱冠梁法、有限元法和壳体理论基础计算方法。相比于其他方法，三维有限元法计算理论更严密，且具有可考虑各种复杂的边界条件、荷载组合的优点，因此随着计算机技术的不断发展，三维有限元法已被广泛应用于拱坝应力分析中。本文通过浆砌石拱坝工程实例，计算分析了拱坝在多种荷载组合工况下的坝体应力及变形，分析应力对大坝稳定的影响，体现了ANSYS在小型拱坝结构安全评价中的实用性。

一、工程概况

某水电站属淮河流域，坝址以上来水面积77.5km2，装机1×630kW台，额定水头14m，额定流量3.6m3/s。根据最新的地形资料，水电站为混合式水电站，电站装机容量1×630kW，属V等工程。主要建筑物：拦河坝为5级建筑物，发电输水建筑物、发电厂房亦为5级建筑物。拦河坝设计洪水标准为20年一遇校核洪水标准为200年一遇，发电输水隧洞进水口设计洪水标准与拦河坝一致；发电厂房工程设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇。电站上游流域面积77.5km2。河源河床高程为590m，河口河床高程约120m，河道总长度56km。流域内山峦起伏，山岭纵横、溪流交错，其间分布有大小不等的梯傍冲畈，是个山高、坡陡、沟深、地少的典型山区，电站上游及附近森林植被覆盖率达90%以上。

二、浆砌石拱坝应力分析

图1　拱坝有限元模型图

图2　正常蓄水位主应力图（Pa）　

图3　设计洪水位主应力图（Pa）

图4　校核洪水位应力图（Pa）

1.计算模型

在有限元计算中，在坝基底部施加三向约束，坝基上、下游边界面施加相应的法向链杆约束，坝基左右侧亦施加相应的法向链杆约束，横河流方向为x方向以指向右岸为正，顺河向为y方向以指向下游为正，竖直方向为z方向以竖直向上为正，模型单元划分采用8节点四面体单元，模型节点总数116547个，单元总数79202个，有限元计算模型见图1。

2.计算荷载

该拱坝正常蓄水位：308.50m；设计水位311.98m，库容20.76万m3；校核水位313.79m，库容30.94万m3；该区域年平均气温15.5℃，多年平均气温随海拔高程增加而逐减，变化幅度在15.2℃～16.8℃之间。多年平均日照时数为2033h，日照率为47%，无霜期180～220d。由此电站地址报告，根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），工程区地震动峰值加速度为0.05g，对应的地震基本烈度为Ⅵ度，根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）可不进行抗震复核。

影响拱坝坝体应力的主要荷载有：自重、温度、地基扬压力、泥沙压力、温度、地震荷载等，根据《浆砌石坝设计规范》，结合本工程情况，选择以下三种工况计算荷载组合：（1）正常蓄水位下净水压力+自重+扬压力+泥沙压力+设计正常温降；（2）设计洪水位下净水压力+自重+扬压力+泥沙压力+设计正常温升；（2）校核洪水位下净水压力+自重+扬压力+泥沙压力+设计正常温升。

3.计算结果

参照《混凝土拱坝设计规范》（DL/T 5346-2006）6.3.2规定，用有限元法计算时，应补充计算“有限元等效应力”。按“有限元等效应力”求得的坝体主拉应力和主压应力，应符合下列应力控制指标的规定：

（1）容许压应力。混凝土的容许压应力等于混凝土的极限抗压强度除以安全系数。对于基本荷载组合，1、2级拱坝的安全系数采用4.0，3级拱坝的安全系数采用3.5；对于非地震情况特殊荷载组合，1、2级拱坝的安全系数采用3.5，3级拱坝的安全系数采用3.0.

（2）容许拉应力。对于基本荷载组合，拉应力不得大于1.5MPa；对于非地震情况特殊荷载组合，拉应力不得大于2.0MPa。超过上述指标时，应调整坝的体形减少坝体拉应力的作用范围和数值。

拱坝模型及各工况第一主应力分析图见图2～图4。

经计算，大坝基底应力计算结果见表1。

参照《混凝土拱坝设计规范》（DL/T 5346-2006）的要求，用有限元法计算坝体应力时应补充有限元等效应力计算。等效应力计算结果见表2。