重庆合川某小型橡胶坝结构安全计算研究

◇重庆市水利电力建筑勘测设计研究院 曾贝佳

橡胶坝表面设有溢流孔，方便切换拦水和阻水状态，同时橡胶坝自重小，方便施工，容易维修和拆除，是小型水利枢纽中最适宜的建造方式之一。同时，橡胶坝由于自重小，结构稳定性不如重力坝等其他坝体结构。因此，在设计橡胶坝时考虑结构的安全稳定性是其重中之重。在此背景下，本文以重庆合川某小型橡胶坝为例，借助三维有限元计算模型，详细研究了橡胶坝在最不利运营工况下的受力、位移分析，为实例工程的可行性提供数据支撑。

1 实例工程概况及基本条件介绍

1.1 橡胶坝概况

橡胶坝自重小，方便施工，一般用于挡水水深小于10 m，上下游水头差小于5 m的小型水利工程。考虑到本文研究目的是分析橡胶坝的结构稳定性，结合橡胶坝的实际特点以及笔者掌握的可供计算的研究实例，本文选择重庆合川某小型橡胶坝为实例工程。

该工程位于重庆合川尉河水库，距离合川市区约38.5 km，主体结构为钢混结构。坝体总长为75.35 m，坝室段分为前后两部分，共14.8 m（7 m+7.8 m）；上下游连接段分别长为35 m与38 m。坝顶高程为565.30 m，建筑物级别为Ⅳ级。

1.2 特征水位

经过对工程区域近十年的水文资料分析验算，工程区域的常水位为557.35 m，20年一遇的防洪水位为563.55 m，对应的洪水流量为9.75 m3/s；20年一遇的低水位为549.65 m。

2 模型建立

2.1 三维有限元模型建立

常用的三维有限元软件有ANSYS、迈达斯-GTS等。考虑到模型的稳定性、计算精度以及本实例工程的特征状态，本文选择ANSYS作为研究软件。本文建立的三维模型如图1所示，其中橡胶坝截面采用设计方案的螺线曲面，网格划分采用正方形网格，间距取3 m～5 m。

图1 三维模型建立及整体网格划分

2.2 计算工况分析

结合实例工程的水文分析、设计图纸等资料，本工程最不利工况为下游断流状态下，工程前沿挡水高度为3.0 m。考虑到做几组对比工况进一步复核实例工程的稳定性，因此本文共设计了四组工况，均是在下游断流状态下；上游坝前的水深值依次取0～4 m，计算步长间距为1 m，依次记为工况一至工况五。

3 计算结果分析

3.1 坝体应力分布

工况1至工况5下的应力分布计算结果与应力分布云图分别见表1与图2。

表1 各工况下应力大小统计结果

图2 各工况下应力分布结果（考虑到篇幅原因，云图只列出工况1与工况5的应力计算结果）

（1）在各工况下，实例工程的最大应力受力位置主要在右岸侧的锚固点，在坝前水深为0 m、1 m、2 m、3 m、4 m的工况下，最大应力依次为9.49 MPa、9.48 MPa、9.33 MPa、8.88 MPa、7.54 MPa，依次递减。

（2）各工况下，最大应力为9.49 MPa，小于设计要求的18.0 MPa，满足设计要求。

（3）X方向应力及Y方向受到的应力随水深变化的趋势一致，均是随着水深增大呈正单调递减的状态。

3.2 坝体位移分析

工况1至工况5下的位移分布计算结果与应力分布云图分别见表2与图3。

表2 实例工程位移计算结果

图3 各工况下位移分布结果（考虑到篇幅原因，云图只列出工况1与工况5的位移计算结果）

（1）在各计算工况下，实例工程的最大竖向位移比较平均，在同一工况下，实例工程结构单元内的任意两个网格节点的最大位移与最小位移的差值小于0.0000204 m。

（2）在各计算工况下，实例工程的最大横向主要集中在坝顶和坝体上游临水侧。

（3）总体来看，在各工况下，实例工程的总体位移较小，结构总体安全、可靠。

4 结论

本文借助ANSYS有限元计算模型，以重庆合川某橡胶坝为实例工程，对橡胶坝的结构稳定进行了数值模拟研究，研究结果显示：

（1）实例工程的总体应力、横向应力随水深变化的趋势一致，均是随着水深增大呈正单调递减的状态。且在各最不利工况下，最大应力为9.49 MPa，小于设计要求的18.0 Mpa，满足设计要求

（2）总体来看，在各工况下，实例工程的总体位移较小，最大的位移仅0.0278 m，趋近于0，结构总体安全、可靠。