后水河大坝新老坝体结合面应力有限元分析

许 敏，雷 盼

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

1 工程概况

后水河水库位于绥阳县蒲场镇，距离贵阳210 km。工程所在地绥阳县位于贵州省高原北部，遵义市中部，大娄山山脉中段。水库位于长江流域乌江水系二级支流(一级为湘江)仁江左岸的一条支流——后水河上游，为已建的一座以灌溉为主，兼有发电的中型水库。坝址以上流域面积92.2 km2，多年平均年径流量5 866万m3。工程枢纽包括拦河坝(含冲砂底孔)、溢洪道、坝后电站、取水建筑物等。现水库总库容1 650万m3，正常蓄水位935.3 m。设计灌溉面积3 532 hm2(现保灌面积为2 444 hm2)。坝后电站装机容量2×200 kW，主要供给周边农村用电。该水库于1966年开始设计，初期设计为混凝土连拱坝，后改为浆砌石重力坝，溢流坝段设置5孔8 m×2.5 m(宽×高)的平面钢闸门，堰顶高程 932.5 m。签于当时的历史原因，整个工程并未竣工:大坝基本于1974年完工，闸门未安装，正常蓄水位932.5 m，达不到灌田3 333.33 hm2的设计效益［1］。

2008年8月，受业主单位绥阳县水利局委托，由我院承担后水河水库加高勘测设计工作。本文应用有限元计算软件Ansys对水库大坝加高后新老坝体结合面应力进行了分析，并根据分析结果，提出了初步的处理措施。

2 ANSYS有限元程序简介［2］

20世纪60年代末70年代初，开始出现了大型商业通用有限元程序，这些商用有限元程序不但在分析功能方面几乎覆盖了所有的工程领域，其程序使用也非常方便，有一定电脑基础的工程师，只要经过简单应用培训，都可以在不长的时间内就能掌握、并应用该类程序分析实际工程项目［1］。工程结构分析的研究对象是物理力学模型，而有限元法的分析对象是将力学模型离散化后得到的有限单元模型。

ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元分析软件，它可在大多数计算机和操作系统中运行，可与大多数CAD软件接口。

ANSYS软件应用于结构有限元项目，其典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理3个部分组成［4］。ANSYS程序中可以直接输入由关键点、线、面和体构成的力学几何模型(程序称为实体模型)，然后对其划分网格形成有限单元模型。有限元法是随着电子计算机的出现而产生的一种计算方法，它把求解区域划分成许多小的在节点处互相连接的子域(单元)，然后在单元的节点上施加荷载、约束，进而进行求解。对于一些重要的工程，特别是对坝基深处的抗滑稳定问题较严重的情况，除刚体极限平衡法外，常常要进行有限元分析与模型试验，作为校核、验证或深入研究的手段。

3 计算条件

3.1 计算模型

计算选取绥阳后水河重力坝的溢流坝段和挡水坝段分别建模。新老混凝土的基础面采用薄层单元降弹模来模拟，基岩的选取范围为2倍坝高，单元划分采用8节点六面体，温度场和应力场计算分别采用Solid70和Solid45单元模拟，两者可以相互转换。

3.2 边界条件

1)温度场计算边界条件:地基部分的边界按绝热边界条件处理;坝体与水接触的边界为第一类边界条件，在蓄水过程中取为河水温度，温度为时间的函数，在正常运行期取库水水温，温度为时间和空间的函数;坝体与空气接触的边界为第三类边界条件，不同时段的表面放热系数根据当地风速与时间变化关系和固体表面放热系数的变化关系而确定。

2)应力场计算边界条件:基岩底部和四周都是法向约束。

3.3 计算参数

本温度场计算按稳定温度场进行，为结构分析提供温升和温降荷载。夏季温度场是按温度边界条件接近最高时所得计算稳定温度场，冬季温度场和合拢温度场同理计算。温升荷载为夏季温度场与合拢温度场之差，温降荷载为冬季温度场与合拢温度场之差。

坝址所在地区的水温、气温、地温见表1，计算用材料的热力学参数见表2，材料的力学参数见表3。

表1 后水河坝址处水温、气温及地温资料

表2 结构材料热力学参数

表3 结构材料力学参数

3.4 计算荷载及工况组合

计算考虑自重、水压力、扬压力及温度荷载。计算工况表见表4，其中温升荷载为7月份的温度与稳定温度场之差，温降荷载为1月份的温度与稳定温度场之差。

表4 荷载工况组合表

4 计算结果

限于篇幅，只列出溢流坝段部分三维有限元分析，挡水坝段计算结果略去。

4.1 溢流坝段正常蓄水位工况

该工况计算溢流坝段正常蓄水位工况下，温升、温降的温度应力。

计算结果表明，在夏季温升工况下，新老坝体结合面以压应力为主，坝体的最大压应力为2.8 MPa，下游表面的最大压应力为5 MPa，均在材料允许范围。在冬季温降工况下，新老坝体结合面的大部分区域受拉，最大拉应力为0.50 MPa，在老坝体的允许抗拉强度范围内，溢流坝段下游表面也出现拉应力，最大值为1.28 MPa，在C25混凝土允许的拉应力范围内，坝体的最大压应力为2.8 MPa，在浆砌石的允许压应力范围内。由于浆砌石材料的变异，在防渗面板处、新老坝体接触面出现应力突变现象。

4.2 溢流坝段设计洪水位工况

该工况计算溢流坝段在设计洪水位工况下温升、温降的温度应力。设计洪水位与正常蓄水位仅相差0.49 m，对坝体的温度场影响并不大。

计算结果表明，在夏季温升工况下，新老坝体结合面以压应力为主，坝体的最大压应力为2.78 MPa，下游表面的最大压应力为5 MPa，均在材料允许范围。在冬季温降工况下，新老坝体结合面的大部分区域受拉，最大拉应力值为0.25 MPa，在老坝体的允许抗拉强度范围内，溢流坝段下游表面也出现拉应力，最大值为1.3 MPa，在C25混凝土允许的拉应力范围内，坝体的最大压应力为3.0 MPa，在浆砌石的允许压应力范围内。限于篇幅，略去计算结果。

4.3 溢流坝段校核洪水位工况

该工况计算溢流坝段在校核洪水位工况下，温升、温降的温度应力。

计算结果表明，在夏季温升工况下，新老坝体结合面以压应力为主，坝体的最大压应力为3.0 MPa，下游表面的最大压应力为5.21 MPa，均在材料允许范围。在冬季温降工况下，新老坝体结合面的大部分区域受拉，最大拉应力值为0.45 MPa，溢流坝段下游表面也出现拉应力，最大值为1.31 MPa，在C25混凝土允许的拉应力范围内，坝体的最大压应力为3.2 MPa，在浆砌石的允许压应力范围内。限于篇幅，略去计算结果。

5 结论

有限元分析表明，大坝加高后，溢流坝段和挡水坝段中压、剪应力均满足规范要求［3］。但是在新老坝体结合面局部出现拉应力偏大现象，最大拉应力0.5 MPa。建议处理措施为:

1)将大坝下游坝坡用人工拆除呈高2 m、宽1 m的台阶状，去除松动的石块、骨料及碳化层，并用喷射水清洗。伴随浇筑进度，在老坝面上刷上一层砂浆后立即浇筑混凝土。

2)在其结合面上钻孔插筋(锚杆)，钢筋长度3 m，埋入老坝体1.5 m，直径Φ25。排列成梅花型布置于整个结合面。新老坝体结合面最大拉应力为0.5 MPa即500 kN/m2，锚杆间排距按0.5 m布置。

［1］贵州省水利水电勘测设计研究院.贵州省绥阳县后水河水库加高工程可行性研究报告［R］.绥阳:绥阳县水利局，2009.

［2］刘亚丽，辛全才.基于ANSYS的滚水坝稳定与应力分析［J］.水资源与水工程学报，2011，22(02):118 －121.

［3］SL 25—2006砌石坝设计规范［S］.