龙王塘水库大坝预应力锚固工程数值模拟研究

徐雪飞 ，许劲松 ，赵 鹏 ，迟 颖

（1.大连理工大学建设工程学部水工结构教研室，辽宁大连110624；2.大连市水利建筑设计院，辽宁大连116001）

预应力锚固技术最大特点是尽可能少地扰动被锚固体，是最为高效和经济的加固技术。世界上第一例采用预应力锚杆加固的工程是阿尔及利亚的舍尔法坝，之后预应力锚固技术广泛应用于土木、水利等工程领域。预应力锚索加固大坝用于解决如下问题：提高大坝坝基抗滑稳定；加固补强坝体裂缝或局部损坏；抵抗上浮力，削减消除坝踵拉应力，提高整体稳定性等。但是很多工程设计之初是基于二维计算的，现在随着大型三维土木计算软件的开发应用，可以进行更精确、合理的计算、研究与设计。文中将ANSYS，FLAC3D，TECPLOT三大软件结合运用，对龙王塘水库重力坝预应力锚固工程进行数值模拟研究。

1 龙王塘水库预应力锚固工程原设计

龙王塘水库位于大连市旅顺口区，1925年建成，已经运行80多年，坝体有很多隐患。2008年大连市水利建筑设计院对龙王塘水库进行除险加固工程设计，校核计算发现挡水重力坝（最大坝高40.8 m）坝踵处出现拉应力，需要进行预应力加固工程消除拉应力。成果见表1。

原预应力锚固设计方案按图1在+0-+158.38段共6个坝段进行预应力锚索施工，布置锚索32根，采用粘结式预应力锚索，单排布置，距上游铅直坝面1.2 m。通过对6个坝段分别取其最大坝断面进行应力计算，最后确定单根预应力锚索的设计张拉力为3 000 kN。每根锚索由21根7φ5钢绞线组成，钻孔孔径为180 mm，内锚固段采用水泥浆粘结。锚索间距为3～8 m，为改善锚固段部位的应力状态，锚索长、短相间布置，深入基岩10～13 m。

表1 重力坝坝踵应力计算成果表（加固前） MPa

图1 预应力锚索纵剖面布置图

2 工程三维数值模拟

2.1 原设计方案三维数值模拟

为了克服FLAC3D软件难以建立复杂的模型，而且容易出错的缺点，用ANSYS建立有限元模型、划分网格，采用程序把复杂模型导入FLAC3D计算，并将计算结果导入TECPLOT软件以显示结果云图。模型采用摩尔库伦准则。

表2 模型材料参数

表2为导入FLAC3D的龙王塘模型参数，在模拟过程中发现材料参数的选取对模拟结果会产生大的影响，文中的材料参数结合《龙王塘水库大坝工程地质勘查报告》与参数试算，以及工程运行现状选取的，使模拟结果更贴近实际。

根据报告中的计算进行模型加载计算，应力云图为沿距上游面1.2 m处的轴向切面图。见图2。

图2 加锚前应力等值线图 σ3/Pa

由FLAC3D输出的锚索轴向力图3看出有4根轴力变小的锚索，即从图1的左侧数为第16，18，26，29根，说明锚索预应力并未完全施力。由图2可以看出，坝体中间几个坝段坝踵处并不存在拉应力，只有两端坝肩附近存在拉应力。

经过加固前后的两云图（图2、图4）对比，发现锚固后拉应力区变小，压应力区变大（两大应力区以0值线为分界，大于0值的区域为拉应力，小于0的区域为压应力），但加固后的两端坝踵拉应力也并未完全消失，故结合以上对比分析，考虑研究方案在图1的+0-+33.23、+108.58-+158.38之内的3个坝段进行预应力锚固。

图3 原设计预应力锚索轴力图 σ3/N

图4 原设计预应力锚索应力等值线图 σ3/Pa

2.2 研究方案三维数值模拟

在靠近坝体上游面采用预应力锚固，既可以增加坝体的抗滑稳定，又可以消除坝踵拉应力。《混凝土重力坝设计规范》规定有限元法计算的坝基应力其上游面拉应力区宽度，宜小于坝底宽度的0.07倍，或小于坝踵至帷幕中心线的距离，不作二维处理的坝体或坝段，局部应力值可不受规范中的应力指标的规定，并结合《水工预应力锚固设计规范》和二维校核结果进行3个坝段的预应力锚索布置。

研究方案利用预应力与锚固长度的正比关系、避免群锚失效的长短间隔布置等原则，以及借助FLAC3D实现的锚索破坏显示以及模型材料弹塑性，比较多组方案结合坝顶宽度限制，最终确定锚索采用粘结式预应力锚索，单排布置在两端坝肩的第1，5，6三个坝段，锚固长度10 m与13 m间隔布置。结合原设计方案的二维计算，使每坝段预应力总和与原设计方案相同，锚索间距及锚固长度不变，第一坝段施加3 000 kN/根的预应力，后面五、六坝段两根预应力锚索分别施加预应力4 000 kN与2 000 kN，锚索布置图5。设计方案预应力锚索应力等值线见图6。

图6 锚索布置图

图7 设计方案预应力锚索应力等值线图

图8 预应力锚索应力比较

从图6看两端加预应力锚索同时也改善了坝中段的应力条件，增加了压应力带，体现了大体积混凝土群锚的加固效应，即在岩体表面的压缩效应，锚索锚固段的长短间隔布置又避免了群锚在锚固末端形成拉应力集中带。预应力锚索应力比较见图7。

由图7的应力比较知，减少中间坝段预应力锚索的研究方案与原设计加固方案应力几近重合，都未完全改变坝踵拉应力状况。

3 结语

1）FLAC3D软件在建立复杂模型及模型网格划分方面存在弊端，本文结合了ANSYS，FLAC3D，TECPLOT三大软件分别在建模、岩土计算以及结果显示的优势，从而实现了龙王塘预应力锚固工程的三维数值模拟。

2）从模拟结果看原工程的加固方案并未完全消除两坝肩附近的坝踵拉应力，而规范规定当有限元计算时，坝体坝基上游面当计入扬压力后，允许拉应力区存在一定宽度，所以研究方案在坝体中段不设预应力锚索。从研究方案的应力云图看，尽管中段未加预应力，但坝体整体应力也得到了改善，拉应力区缩小，压应力区相对增大，存在坝踵拉应力的坝段应力条件同样得到了一定程度的改善。

3）三维数值模拟计算结果显示，通过二维计算并不能很好地模拟工程实际，对有更高要求的工程，可能得不到最为合理可行的设计方案，故此后设计可结合二维计算及本文提出的三大软件联合运用的三维数值模拟，从而得到更合理、更经济的预应力锚固方案。

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