重力坝泄洪孔弧门支承梁静力有限元分析研究

苏慧敏

(山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西 运城 030002)

1 绪 论

混凝土坝坝体泄洪一般通过中、底孔进行部分泄洪，泄放流量相比表孔较小，溢流坝和泄洪孔宜同步施工，相互配合使用。大坝库水位越大，坝体越高，泄洪孔的施工技术难度越大。泄洪孔的设计要考虑枢纽布置、地质条件和效益发挥等因素，同流量泄放时，表孔溢流坝相比坝体泄水孔节约工程造价。从受力变形方面来讲，坝身开孔将改变坝体应力场分布，开孔位置易产生应力集中现象，该位置较长出现混凝土裂缝，对大坝安全稳定性造成一定困扰[1]。因此，有限元分析时将该类应力集中问题及区域作为重点关注，设计时应仔细复核孔洞的受力承载能力。

2 工程实例

2.1 工程概况

某重力坝位于甘肃省境内，最大坝高59.0m，坝顶高程1751.0m，坝顶全长151.0m[2]。枢纽建筑物主要为：混凝土重力坝、电站厂房、泄洪底孔等组成。有限元模拟：坝体混凝土采用六面体等参单元模拟，模型共有单元总数153682；节点总数42164[3]。重力坝泄洪底孔坝段三维有限元模型如图1所示，弧门支承梁见图2。

图1 重力坝泄洪底孔坝段三维数值模型

图2 弧门支承梁体形图

2.2 物理参数

混凝土容重25kN/m3；泊松比1/6；混凝土强度及弹性模量见表1。

表1 混凝土力学参数表

钢筋力学参数见表2。

表2 钢筋强度和弹性模量

2.3 计算结果

重力坝泄洪底孔坝段弧门支承梁应变计算结果见表3，位移变化计算结果见表4。

表3 弧门支承梁应变计算结果

表4 弧门支承梁位移变化计算结果

从表可以看出不同工况的弧门支承梁均施加弧门推力，应力值都偏大，弧门支承梁的正、剪应力基本一致，工况三的应力值较大[4]。文章选取工况三的剖面应力等值线计算结果作为展示。坝段典型剖面位置选取如图3-图8所示；弧门大梁剖面位置如表5所示。

表5 弧门大梁剖面位置表

图3 1#剖面X方向正应力sx

图4 1#剖面Y方向正应力σy

图5 1#剖面Z方向正应力σz

图6 2#剖面X方向正应力sx

图7 2#剖面Y方向正应力σy

图8 2#剖面Z方向正应力σz

由上述图示结果可得出，顺水流方向的最大正拉应力为2.624MPa，出现在弧门推力作用点附近，作用范围较窄；最大压应力为10.58MPa，同样出现在弧门推力的作用点上，分析因为应力集中造成局部变形过大。未施加弧门推力时，顺水流方向正应力均较小，坝轴线方向拉应力值最大为1.226MPa。最大压应力为5.42MPa，拉、压应力极值位置同弧门推力作用点。竖直方向拉应力最大值为2.296MPa，在大坝右岸的梁端上部[5]。弧门支承梁位移变形最值为1.105mm、2.384mm、0.483mm，出现位置分别为推力作用点、门支承梁的左端和左下端位置。

3 结 论

文章结合实际工程建立重力坝泄洪坝段的三维有限元模型，计算分析重力坝弧门支承梁不同受力荷载下的应力变形，通过三种不同工况对比分析认为：施加弧门推力后的支承梁局部压应力极值较大，但均超过混凝土抗压设计强度，在该位置应加强钢筋配置，保证该位置的承载稳定，结果表明该大坝弧门支承梁受力稳定，结构设计合理。