关门嘴子水库重力坝应力集中现象分析

李 恒，孙 瑶，张洪雨

(哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001)

关门嘴子水库重力坝应力集中现象分析

李 恒，孙 瑶，张洪雨

(哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001)

应力集中属于弹性力学中的一种现象，通常会产生物体局部应力突变的情况，一般出现在物体某处形状突变的部位。为了防止建筑物遭到破坏，在设计过程中应该重点考虑该现象。文章借助ANSYS软件平台，利用有限元思想，对关门嘴子水库重力坝进行静力结构分析，得到应力集中部位应力大小值，进而检验出建筑物结构的合理性与可靠性。

重力坝；应力集中；ANSYS软件平台；有限元思想

1 工程概况

关门嘴子水库位于黑龙江省鹤岗市，水库坝址位于梧桐河上游，最大坝高34.35m，坝体厚20m，建基面高程为116.02，从高程为141.37处开始起折坡(坡比为1∶0.7)。设计水位下的上游水位147.50m，下游水位125.62m。坝基表层为第四系松散层，岩性包括粉土质砂、卵石混合土、碎石混合土，坝基岩体岩性以安山岩为主夹辉绿岩脉，坝基层不存在软弱结构层。挡水坝内部采用C15混凝土，部分(如迎水面以及应力集中部位)采用2.5m厚C25混凝土。为了混凝土坝施工方便，仅布设一条基础灌浆排水廊道，同时兼顾安全检测、检查维修作用。廊道断面为3.0m×3.5m城门型，廊道底部设置0.25m×0.3m排水沟。廊道中心线位于坝轴线下游2.0m处，高程为119.02m[1]。

2 研究目的、背景及意义

关门嘴子水库采用混凝土重力坝作为挡水坝，文章选取了第5#坝段作为研究对象，主要通过ANSYS进行数值模拟。由弹性力学的内容可以知道，应力集中现象一般出现在物体形状急剧变化的地方，如缺口、孔洞处。在关门嘴子水利工程的挡水坝段中，整个重力坝的坝趾、坝踵以及廊道处可能会产生应力集中的现象，进而造成大坝局部被破坏，甚至造成整个坝体失稳，故在设计过程中考虑坝踵、坝趾和廊道处的应力变化是有必要的。

3 研究内容

文章将借助ANSYS软件平台，对研究对象进行建模，并利用有限元的思想，通过ANSYS的前处理，计算出重力坝一个坝段的内部应力以及位移，并分析坝趾以及坝踵处的应力突变情况，以此来判断工程是否满足稳定性和可靠性。

4 计算基本假定

1)混凝土、钢结构材料均假设为各向同性线弹性材料。

2)材料的物理力学参数按设计标准值选取。

5 计算模型建立

选择ANSYS结构(Structural)模块。设置ANSYS实体结构单元solid65与solid185单元，solid65单元是混凝土结构单元，对于混凝土重力坝使用该单元，solid185单元用于处理实体单元，整个坝体建模过程中用于地基单元的处理。设置模型的材料参数，对于混凝土定义其密度为2500，弹性模量为3×1010，泊松比为0.167，对于地基主要由安山岩以及泥岩碎石组成，定义其弹性模量为1×1010，泊松比为0.31。

建模阶段。根据工程资料的数据确定整个重力坝(本次建模过程中选取整个重力坝的15#坝段)的坝高等几何信息，通过连接特征几何点，形成二维面，面进成体的形式。其中特征点是(0,0,0)、(24.8,0,0)、(7,25.4,0)、(7,34.3,0)、(0,34.3,0)、(59.1,0,0)、(59.1,-34.3,0)、(0,34.3,-20)、(-34.3,0,0)、(-34.3,-34.3,0)、(0,0,-20)、(24.8,0,-20)、(7,25.4,-20)、(7,34.3,-20)、(-34.3,0,-20)、(59.1,0,-20)、(59.1,-34.3,-20)、(-34.3,-34.3,-20)。

施加荷载及约束阶段。对坝基上下游两侧施加水平方向的约束，对坝基底侧施加全方向约束。对于岩基上的重力坝，常见的荷载形式有：自身重力、静水压力、扬压力、土压力、冰压力、地震荷载等。根据工程资料以及计算要求，文章主要主要研究重力坝的自重、静水压力以及扬压力的作用。其中：

1)自重荷载。自重荷载作用于重力坝的重心，以惯性力的形式施加。

2)静水压力。静水压力分为上游面静水压力和下游面静水压力，其中上游面静水压力垂直作用于坝体的迎水面，上游面与重力坝接触面垂直。静水压力的大小按照水深的不同呈现梯度分布。

3)扬压力。扬压力由渗透压力和浮托力，其中渗透压力是由于上下游水位差产生的，浮托力是重力坝下游的水压力，扬压力呈现梯度分布，扬其作用方向位于坝体底部铅直向上。

6 计算结果

利用ANSYS计算结果，第一、三主应力分布图见图1-图2，得到计算应力结果见表1。

图1 第一主应力图

图2 第三主应力图

应力类型应力值第一主应力/MPa拉应力5 95压应力0 25第三主应力/MPa拉应力0 45压应力6 46

7 结 论

由计算所得到的结果，可以分析得出以下结论：

1)由云图结果可以看出，拉应力和压应力的最大值都出现在廊道处，这是由于廊道处位于重力坝的孔口部位，会出现应力集中现象。根据表6-1可知，其中第一主应力最大值为5.95MPa。最大压应力为0.25MPa，均小于C15和C25混凝土的最大抗拉强度，故抗压强度均在混凝土最大强度范围以内，但是在廊道以及坝址坝踵部位由于应力集中现象的影响，导致局部拉应力突变情况，故理论上这些部位可能会发生局部裂缝现象，应该予以重视。可以采取措施：在局部施加高强度混凝土。

2)在实际工程中，廊道处的应力大小与网格密度大小、单元的选择以及外部环境影响等很多因素有关系，当极值大于标准值不多且分布范围不大的时候，可以认为不会对重力坝造成危害。

3)从重力坝的应力云图中可以得出结论，重力坝坝体大多数处于受压状态，这是由于受到静水压力的作用，使得坝体朝着下游方向有力的作用。

4)关门嘴子水库重力坝满足静力条件下的稳定性要求。

[1]温州,王秀丽,郭佳乐.鹤岗市关门嘴子水库大坝稳定及应力分析[J].黑龙江水利科技,2016(02):41-42，145.

1007-7596(2017)06-0026-02

2017-05-26

李恒(1992-)，男，湖北宜昌人，硕士研究生，研究方向为水利工程；孙瑶(1993-)，女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，研究方向为水利工程；张洪雨(1957-)，男，黑龙江哈尔滨人，教授，研究方向为水利工程。

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