充水橡胶坝静动力分析

2019-05-27李怀兵高艳伟

陕西水利 2019年4期

李怀兵，高艳伟

（1.兰陵县水利建筑安装公司，山东兰陵 277700；2.山东省兰陵县农村公共供水管理办公室，山东兰陵 277700）

橡胶坝由于其环保、造价低、结构简单、施工周期短等优势，在我国广泛应用。1957年美国工程师采用高分子合成材料在洛杉矶修建了第一座橡胶坝，之后我国也着手相关研究，并在北京右安门水道管理中予以成功应用。郭维东等[1]在工程实践中分析了径流量对橡胶坝下泄水流水噪声的影响，指出了优化尾坎高度与消力池长度的的方法；李洋洋等[2]在浐河流域的实践表明，选择橡胶坝在立坝时的水面线较塌坝时的水面线平稳，塌坝时具有延迟性与水跃现象；王洋[3]对辽宁中部城市非恒定流模型的定边界条件进行改进，加入动态边界后模拟河流橡胶坝河段的流态，表明其自然恢复性更好，适宜于河流景观构建。截至目前，我国的橡胶坝已建成约5000座，近年来更是以每年新建300座左右的速度发展。目前橡胶坝的发展趋势是，由小跨度到大跨度发展，由低位向高位发展。因此再增大跨度、增加高度后橡胶坝的静动力特性需要引起我们的注意。目前已经有一些学者对橡胶坝的静动力特性进行了研究，并取得了一定的成果[4～8]。本文基于ANSYS软件对坝体进行静力和风载作用下有限元分析。

1 工程概况

芦柞橡胶坝位于山东省临沂市内，是南水北调工程截污导流工程。橡胶坝坝高4 m，挡水高度4 m，正常蓄水位38.7 m，底板设计长度14 m，底板顶高程34.7 m，采用C25刚劲混凝土底板结构，边墩采用C25钢筋混凝土，长度同底板，墩顶厚1m，墩顶高程39.3 m。彩色坝袋，坝袋布厚3 mm，强度为120 kN/m。

对于坝高超过3 m的橡胶坝，往往采用的还是传统低矮橡胶坝的设计方法，无论是在静荷载还是动荷载的影响下都存在较大的安全隐患，因此本文基于ANSYS软件对芦柞橡胶坝进行数值建模，分析加固和不加固下橡胶坝的稳定性，以及在动荷载作用下，橡胶坝的应力反应特点。并根据橡胶坝的运行情况提出相应建议。

2 坝体静力分析结果

采用ANSYS软件计算坝体的静强度问题，采用坝袋Mooney-Rivlin材料模型和薄膜结构有限元分析方法，计算橡胶坝体加固和不加固坝体的强度问题。坝体的设计参数为：压力比 α=1.4、H1=3m、H0=4.2m，坝体长度为 15 m。

对于目前一些超高橡胶坝，采用传统的设计方法已经不能满足其抵抗外界荷载的功能需求，因此需要采取相应的措施对坝体进行加固，分别计算加固和不加固坝体的等效应力。

图1 坝体最大应力变化图

由计算结果可知，未加固坝体最大应力为6.72 MPa，加固后的坝体最大应力为6.5 MPa，均满足设计要求。对于一般的坝体可以不进行加固处理，但是对于超高坝体，为防止坝体出现工程灾害，要进行加固处理，提高坝体的安全系数。由图1可知，坝体的最大应力在间距为0.5 m时，出现最小值，因此对于本工况下，建议设计间距为0.5 m时，能对荷载起到很好的分布优化作用。

3 橡胶坝风载作用结果

橡胶坝在承受风载作用时，由于其大跨度的特点，几乎不能承受弯矩，因此橡胶坝在承受风荷载时的轴力和剪力较大，进而导致其变形较大。采用非线性理论，通过ANSYS软件对橡胶坝进行整体风荷载受力分析。模拟坝体承受20 m/s的风速，通过风速简化加载函数：

计算得到坝体上风压随时间变化曲线见图2。

图2 坝体上风压随时间变化曲线

图3 X和Y方向上应力随时间变化曲线图

如图3所示，坝体在X和Y方向上应力随时间变化幅度较小，由此说明在风载作用下，坝体的动应力反应只在很小的范围内波动，因此动强度系数可取小一些。本文只对动荷载下，橡胶坝的反应进行了初步研究，由于风荷载的频率与坝体的固有振动频率相似，因此导致坝体整体或局部剧烈震动，引起结构的失稳破坏，此问题需要进一步研究。