基于ANSYS软件的某重力坝静动力特性分析

2020-09-01翟昌楠

水电与新能源 2020年8期

翟昌楠

(阿勒泰地区水利水电勘测设计院，新疆阿勒泰 836500)

作为水利资源的重要水工调控设施，大坝稳定性研究是水利工程建设中尤为重要的方面，而我国作为受地震灾害最严重的国家之一，大坝这类重要水利工程不可忽视抗震能力研究，故当前结合静动力分析大坝稳定性，已成为准确评判工程安全稳定性重要举措[1-3]。已有许多学者基于水工模型试验，在室内开展大坝这类水工结构稳定性或渗流破坏性研究[4-6]；亦有一些学者基于振动台模拟地震动试验，研究坝体抗震稳定性，并提出一些理论模型计算坝体动力特征[7-10]。通过数值有限元软件在当前水利工程中较为普遍，在数值软件中引入动力反应谱等理论，系统化模拟大坝静动力反应特性，进而评估大坝稳定性，较为高效率[11-13]。本文将基于某重力式大坝开展建模分析，探讨静动力协同分析流程，为评价坝体静动力稳定性提供参考。

1 工程概况

某水电站是集调运水力资源、提供电力资源，防洪排涝等重要功能的枢纽水利工程，以混凝土重力式大坝为主体修建，并配备有消力池、泄洪孔及其他发电厂房设施等重要水工结构。库容超过10亿m3，蓄水位达到1 580 m，校核水位为1 582.5 m，所修建大坝设计高程为1 590 m，坝址区内最大高差为205 m，上、下游坡度分别为0.2、0.75。大坝防渗措施采用灌浆与防渗墙结构，灌浆利用C30素混凝土，固结基岩上覆盖层，防渗墙厚度为60 cm，插入基岩层，抑制坝体渗漏量；在坝体两侧与岸坡一体式修建有翼墙，留有放空底孔，保证水电站6个机组年发电量达到80亿kW·h，图1为水电站上游立面图。

图1 水电站上游立面图

根据地质勘察资料表明，坝址区位于河流冲积平原缓冲地带，分布有第四系堆积土、中元古界花岗岩及部分较新年代的淡黄色灰岩，第四系堆积土层厚度约有4.5～10.7 m，包括有年代最新的人工搬运填土层、厚度约4.3 m的粉质壤土堆积层，细砂与圆砾交织的河流冲击作用下形成的冲积土层，含水量高达63%，可塑性，砾石含量达10%，砾石粒径以2～5 mm为主现场标贯实验表明，基岩上覆盖土层为不可液化，但各土体渗透系数均较高，属中高等渗透性土，室内土工试验表明覆盖层孔隙比平均值为2.145。基岩钻孔取样室内XRD分析表明，花岗岩属中粗粒径，抗风化作用较强，含有二长石等矿物，外表面孔隙几乎不可见，最大埋深达1 500 m，标准承载力可达350 kPa。地下水位在坝基上部2.3 m，受河水补充水源，取样地下水得知，水质较中和，不含酸碱性元素，故对金属工程材料伤害性较弱。

2 重力式大坝静力分析

2.1 模型建立及外参数

以坝体区段中相邻的10、11号为非溢流重力坝段，两个区段具有较为典型代表区段，开展分析，且两个区段坝顶高程均为1 620 m，利用ANSYS数值软件，建立该区段内坝体模型，如图2所示。研究区段10、11号坝体长均为25 m，水流溢出面宽度为21 m，11号重力坝段上游基准面高程相比10号高出23 m，两个坝体段均选用SOLID65单元体作为基本微单元体，分别划分出单元网格15 828、16 245个，节点数13 782个、14 178个。下覆基岩及上覆盖层物理参数采用室内土工试验所获得的弹性模量、抗剪参数及强度参数值。

边界荷载包括有坝体自重、水头压力、上扬压力、淤泥冲力，其中坝体自重参照混凝土材料容重计算即可；水头压力与各工况下上下游水头值有关，本文将分析正常蓄水位、设计水位、洪水校核位；上扬压力计算几何模型如图3所示，不考虑抽排影响[14]；淤泥冲力按照式(1)计算出淤泥冲力。建立数值模型之后，自重荷载作为基准边界条件施加在工况一中，后续工况二～四分别逐渐增加正常蓄水位、上扬压力、淤泥冲力三种边界荷载。

(1)

式中：Fs指淤泥冲力；γs指淤泥容重；hs指淤泥厚度；φ指淤泥内摩擦角。

图2 数值计算模型图

图3 上扬压力计算示意图

2.2 静力分析

针对10号与11号坝体研究模型，选择坝体重要结构部分，涵盖有坝踵、坝顶、坝身及其它连接点开展静力状态下应力变形分析，各重要节点部位如图4所示。

图4 坝体重要结构点部位图

2.2.1 位移特征

图5为10、11号坝体各重要结构部位水平位移与竖向位移曲线图，从图5中可看出，10号坝体研究区段内，工况一下最大水平位移为3.65 mm，位于坝顶C处，在坝踵与坝肩平台处水平位移量最小，即工况一水平位移在坝体中呈倒“V”字分布。工况二至工况四，边界约束荷载增加，水平位移逐渐由坝顶集中往两侧坝踵、坝肩或坝趾处扩散，工况二下最大水平位移为3.37 mm，坝踵与坝趾部位水平位移均超过1 mm，相比工况一提升幅度1个量级之多，分析是由于水头压力影响，导致在浸润线以下坝体结构部位产生较大水平位移，四个工况中位移变化趋势均呈一致性，即倒“V”字分布。10号坝体工况一竖向位移最大值为3.93 mm，属四个工况中最大竖向位移，随各工况中叠加入水头压力、上扬压力，最大竖向位移逐渐递减，减小幅度为37%～45%，根据受力分析可知，上扬压力与淤泥冲力均会一定程度削弱自重荷载，减弱竖向沉降变形。11号坝体水平向位移在大坝各节点变化趋势号与10号一致，但除工况一以外，工况二～工况四最大水平位移仅有10号坝体的56%～62%，且相比11号坝体工况一，工况二～工况四最大水平位移不仅改变了变形方向，且量值亦降低了5%～40%。

图5 各结构部位水平、竖向位移曲线图

图6、图7为两坝体位移分布云图。从图中可看出，10号坝体工况一沿着坝趾至坝顶，水平位移量逐渐增大；竖向位移虽亦是沿着坝顶逐渐升高，但工况一下10号坝体竖向位移分布倾向于上游迎水测。11号坝体工况一水平、竖向位移分布形态与10号坝体一致，仅在量值上存在差异，此与前述分析重要节点位移量同理。10、11号坝体工况四水平位移分布有相似性，坝顶处位移量较大，坝趾、坝肩位移量沿坝顶层次性增长，相比于工况一竖向位移向上游倾斜，工况四下10、11号坝体均向下游倾斜，考虑工况四增加了上扬压力与淤泥冲力，分析是由于上游淤泥冲力与上扬压力引起下游侧应力较集中，沉降增大。

图7 11号坝体水平、竖向位移云图

2.2.2 应力特征

图8为10、11号坝体各重要结构点第一主应力变化曲线，10号坝体在工况一下不产生拉应力的，不论是10号坝体亦或是11号坝体，工况四均产生最大拉应力，两区段坝体在工况四下最大拉应力分别为1.206、0.928 MPa，位于坝踵A点处，且工况二、三拉应力亦是集中在坝踵A点处，表明坝体在坝踵区域处易产生拉应力破坏，应采取一定防范措施。10号坝体最大压应力为工况一坝踵处，达1.218 MPa，工况二～工况四最大压应力出现在下游侧，表明坝体受到蓄水压力影响，压力水头由上游侧转移至下游侧，且随着考虑上扬压力、淤泥冲力，最大压应力增大，工况四最大压应力达1.199 MPa，分别为工况二、工况三的1.2倍、1.1倍。11号坝体区段最大压应力分布特征与10号坝体一致，其最大压应力为1.169 MPa，属工况四下游侧E点，量值相当于10号坝体同工况同位置处。

图8 各结构部位应力值曲线图

图9为计算获得坝体第一、第三主应力特征参数分布云图。对比可发现，工况一下第一主应力中几乎不存在拉应力区域，仅10号坝体远离坝踵缓冲平台处出现较小区域拉应力，仅为0.35 MPa，坝身其他结构处均处于受压区；工况四第一主应力特征云图中亦是拉应力几乎不存在。相比第一主应力，第三主应力特征云图中受拉区明显增多，10、11号坝体在工况一第三主应力特征云图中拉应力集中于下游侧与上游坝踵平台处，两坝体区段在工况四中的拉应力集中在上游侧与上游坝踵平台，由此可见，工况四增加水头压力、上扬压力和淤泥冲力后，上游侧坝顶至坝身部分区段内更易产生较多拉应力。

3 重力式大坝动力分析

作为重要枢纽工程，必然在强地震作用下需要有一定的抗击能力，因而，本文将利用模态分析法对大坝动力响应开展分析，限于篇幅，以坝体振型演化作为动力响应特征。基于ANSYS模态分析，针对10、11号坝体以附加质量法与流固耦合理论分别建立分析模型，进而计算获得多阶态下无蓄水与正常蓄水下坝体振型云图(图10、图11)与自振频率(图12)，自振云图本文只列出第1、4、6阶态。

从图12中可看出，在第1～10阶态中10号坝体附加质量法模型中最大自振频率为10.256，为第10阶模态，且随计算阶态增大，自振频率逐渐增大，相比无蓄水状态下，蓄水工况下不论是附加质量法亦或是流固耦合理论模型，自振频率均较前者低，降低幅度为2.2%～46.7%，分析是由于蓄水状态下受水动力影响，阻尼系数受到附加质量增大影响，导致自振频率降低。11号坝体无蓄水状态下第10阶态自振频率为22.35，是10号坝体的1.2倍，在蓄水位工况下，附加质量与流固耦合法模型所计算出的自振频率均高于10号坝体，分析是由于11号坝体的坝基上覆填土厚度相比10号坝体少了3.5 m，故11号坝基刚度受土层阻尼放大系数影响较弱，刚度相对较强，故不论是有、无蓄水工况自振频率均处于较高水平。从振型分布特征来看，10、11号坝体附加质量法模型计算第1阶态坝顶处分布较大频率值，但在第4、6阶态中坝顶处逐渐减弱，且坝身逐渐分布较小振动频率，表明随着计算阶态增多，坝顶处频率解愈趋于收敛。对比附加质量法与流固耦合法模型计算振型图，第1阶态结构呈一致性，第4阶态结果具有一定相似性，在坝身处振型云图有一定偏差，但分布形态相似，两者第6阶态计算结果差异性显著，表明计算阶态增大，不同计算模型模拟同工况的云图结果差异性会增大。