黎平双江水电站拱坝开孔应力计算

黎耀贵

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

黎平双江水电站拱坝开孔应力计算

黎耀贵

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

在水电站工程建设中，拱坝因为其特有的优势因而被广泛使用在水电站中。在对拱坝进行设计的过程中，其开孔应力计算是一项重要的组成部分，对于拱坝的合理设计具有重要的作用，因此必须采取有效的措施对拱坝的应力进行计算。文章采用ANSYS建模分析在黎平双江水电站拱坝上开孔后对坝体应力问题，并根据计算成果分析开孔对拱坝的影响。

黎平双江；水电站；拱坝；开孔；应力；计算

1 工程概况

黎平双江水电站拱坝初次设计坝高为73.0m ，但坝基开挖后发现地质条件比预想的差，存在勘察资料没有反映的地质问题，把坝高降为63.0m ，2003年大坝加高工程完成,坝高为65.5m。

大坝为对称双曲拱坝，拱坝曲线方程为y=ye-x2/2R。坝体坝顶高程288.5m，坝底高程223.0m，坝顶厚4.0m，坝底厚13.0m，最大中心角92.4°，最小中心角60°。

坝体材料分区：河床及两岸基础垫层为C15混凝土，厚1.0m；上游面为C15混凝土防渗墙，厚度0.5～2.5m；坝体为三级配C15混凝土埋毛石。

溢洪道布置于坝顶的河床段，溢流前沿总长58.0m；泄洪兼冲沙放空底孔布置于坝体左岸非溢流坝段内，进口高程235.00m；坝后245.60m和268.30m各设两道水平交通桥。

坝区河谷狭窄，呈“V”形河谷，两岸坡度45°～50°，覆盖层较薄，出露的地层为下江平略组灰色中厚至厚层状绢云母板岩，产状为130°<22°。因受多次构造运动的影响，岩体中节理较发育，强风化带厚度较大。

2009年，根据业主要求为充分利用现有多余的水力资源，对电站扩机。拟从冲沙孔内设置1.8m×1.8m的取水孔，后接压力钢管至新建的厂房的机组。取水孔距坝体上游面3.93m，与冲沙孔轴线夹角为45°，底板高程为237.2m。

由于设计方案从已建的坝体内开孔取水，拱坝是一个整体，开孔后对拱坝安全是否存在隐患。本文基于此采用ANSYS研究分析开孔后对拱坝坝体应力。

2 建 模

2.1 坐标系的建立以及计算范围的确定

在对拱坝进行计算过程中，为了能够与拱坝的实际情况相同，保证计算结果的准确，可以在拱坝的计算过程中进行拱坝模型的建立。顶层圆弧圆心沿着高程方向垂直向下延伸至200.00高程取为计算坐标系原点，逆水流方向为x轴正方向，沿高程向上方向为y轴正方向，垂直于水流方向且指向左岸为z轴正方向。

2.2 基本假定

在对拱坝建模的相关计算参数进行确定时，需要对一些参数进行数值的假设和确定，在进行假定的过程中需要以工程情况和以往的经验进行假定，不仅需要对大坝坝体以及坝基等弹性力学进行假定，除此以外，还应该进行以下3个方面的基本假定：

1)假设相同高程的拱圈产生的温度升高或者下降的数值是一样的[1]。

2)因坝基在自身重力的影响下，已经完成了压缩，因而在计算过程中就不需要对坝基的自身的重力进行计算。

3)拱坝的坝体以及坝基所使用的材料的性质是相同的。

2.3 网格划分

在计算成果准确度的影响因素中，网格划分这一影响因素的影响程度是非常大的。如果网格在划分的过程中，产生了形态不正等现象，就会使得网格单元自身以及附近相关的应力的数值都产生一定的降低，甚至根本不符合相关理论和要求[2]。因此，在对网格进行划分的过程中不仅在开冲沙孔和取水孔附近利用自由划分外的方式外，还需要采用六面体8节点块体单元,坝体单元共2846个，节点3010个。基础采用六面体8节点块体单元，共6334个单元，7758个节点。整个计算模型共9180个单元，10768个节点。图1为计算模式示意图。

图1 计算模型示意图

注意：图中的应力，以“—”为压应力，“+”为拉应力(符号省略)，单位为kN/m2(即kPa)。

3 应力计算成果

应力计算的两个组合分别为：

1)基本荷载组合：正常高水位+相应下游水位+坝体自重+泥沙压力+温降。

2)特殊荷载组合：校核洪水位+相应尾水位+设计温升+自重+泥沙压力。

ANSYSY分析计算出坝体梁应力和拱应力成果如图2、3、4、5所示。

图2上游面及下游面坝体梁应力和拱应力

图3上游面及下游面坝体梁应力和拱应力

图4孔口附近拱应力梁应力

两者坝体梁应力和拱应力最大应力值见表1所示：

表1 最大应力表 MPa

图5孔口附近拱应力梁应力

4 成果分析

从应力的图中可看到，应力分布基本都是对称的，说明冲沙孔和取水孔的开孔对坝体应力分布的影响不明显。虽然梁应力上游面右坝肩下部有拉应力达4.0MPa，但不是由于开孔而造成的，是由于在该部位单元划分不规则，应力集中所造成，对该部位可不做分析，忽略不考虑。孔口附近应力较小，设置取水口后不影响大坝正常运行。

4.1 梁应力

从梁应力的图中可看到，上游面梁应力坝体周边均为拉应力，左右坝肩的应力分布基本对称，最大值为1.96MPa，出现在左右坝肩底部；下游面梁应力基本都为压应力，最大值为-3.69MPa，出现在拱冠梁底部。由图4可见，孔口梁应力均为压应力，且应力值较小，最大值为-3.67MPa，出现在取水口下游。

4.2 拱应力

从拱应力图中可看到，上游面拱应力坝底应力，数值都不大，最大拉应力为0.65MPa，出现在左右坝肩而最大压应力为1.11MPa出现在左右坝肩顶部；下游面拱应力基本都为压应力，最大值为-2.96MPa，出现在左右坝肩。由图5可见，孔口梁应力也均为压应力，且应力值很小，最大值为-1.74MPa，出现在取水口下游。

5 结 语

从计算成果看到，虽然开孔了，但由于拱坝是一个整体，荷载都转由基础的其它部分承担。计算结果看到右坝肩上局部应力超标，其他部位应力分布基本也是对称的，说明冲沙孔和取水开孔的对坝体应力分布的影响不明显。坝体部分除基本荷载组合梁的拉应力略有超标外(超0.46MPa，由于该坝工作多年，可以认为大坝安全)，其它的应力指标都在许用范围内。超标的部分在左右坝肩上游面底部很小的部分。孔口附近应力较小，设置取水口也后不影响大坝正常运行。

[1]李守义,陈尧隆,梁柱.硖门水库拱坝应力分析[J].甘肃水利水电技术，1995(03)：33-37.

[2]李艳，刘军，张淑英.石门坎水电站拱坝坝体应力分析[J].河南水利与南水北调，2009(05)：85-87.

DamOpeningStressCalculationforLipingshuangjiangHydropowerStation

LI Yao-gui

(Guizhou Province Water Conservancy & Hydropower Investigation, Design and Research Institute, Guiyang 550002, China)

In hydroelectric power station engineering construction, arch dam is widely used in hydropower station because of its unique advantages. In the arch dam design process, the opening stress calculation is an important part and it plays an important role in the rational design of arch dam，therefore effective measures must be taken to calculate stress of arch dam. In this paper, the dam body stress is analyzed after opening the hole in the arch dam of Lipingshuangjiang hydropower station by using ANSYS modeling, and the impact on the arch dam is analyzed according to the calculation results.

Lipingshuangjiang River；hydropower station；arch dam；opening；stress；calculation

1007-7596(2014)03-0029-03

2013-10-10

黎耀贵(1983-)，男，壮族，广西宾阳人，助理工程师。

TV642

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