拱坝纵向缝（平行于坝轴线）面上的应力研究

邹 爽

（贵州大学土木工程学院，贵阳 550003）

拱坝纵向缝（平行于坝轴线）面上的应力研究

邹 爽

（贵州大学土木工程学院，贵阳 550003）

对于除险加固工程，拱坝需要进行加厚处理时，就产生了一条纵缝（即新老坝体交界面），传统的计算方法没法考虑这一纵缝。结合某一实际病险水库工程，用三维有限元法（ANSYS）计算了坝体加厚后纵缝上的应力分布情况，进而确定具体的新老坝体接缝上的除险加固方案。

应力分布；有限单元法；拱坝；加厚

拱坝因坝体较薄，一般只设横缝，不设纵向缝，只有当坝体厚度超过40 m才考虑设纵缝，所以对于新修坝体一般都没有纵缝。但是，对于除险加固工程，因原来的坝体较单薄，需加厚，这时就产生了一条纵缝（平行于坝轴线）。目前常用的拱坝计算方法（拱梁分载法[1～2]），不能考虑到这条缝，也没法计算出这条缝上的应力分布情况。采用三维有限元法，可以计算出纵向缝面上的应力分布情况。进而可以根据缝上的应力分布情况确定具体的新老坝体接缝上的除险加固方案。

1 工程概况

某病险水库大坝，为浆砌石拱坝，最大坝高27.5 m，原坝体坝顶厚度为2.0 m，坝底厚度为4.0 m。因坝体应力稳定均不满足规范要求，需对坝体进行加固处理。采取了上游面加厚方案，坝顶加到3.0 m，坝底加2.5 m，即坝底厚度变为6.5 m，加厚部分的材料均用混凝土。

2 模型的建立

坝体加厚部分要单独建体，输入和坝体不同的材料特性参数（如弹模、线膨胀系数和泊松比）。加厚部分全部用混凝土材料。在拱坝的计算中，要加上基岩部分，从建基面向前后左右及向下各取40 m高（约1.5倍坝高）。

整个计算模型共31 056个单元，36 666个节点；原坝体单元共4 320个，节点6 076个；加厚部分单元共2 880个，节点8 835个；基础共23 856个单元，节点21 755个。

拱坝三维网格划分图见图1。

图1 拱坝三维网格图

3 计算成果及分析

3.1 计算条件

计算了正常蓄水位情况和校核洪水位两种工况，结果显示正常水位情况是控制性的，因此本文只叙述正常蓄水位情况的计算结果。

正常蓄水位情况：水压力、泥沙压力、坝体自重、温降。

3.2 应力计算结果及分析

坝体及纵缝上的最大应力值见表1。

从表1的计算结果可看出，加厚后，坝体最大拉应力较大，为2.56 MPa，出现在拱冠梁底上游面；纵缝上（新老坝体交界面上），新坝体出现了较大的拉应。力数值为2.00 MPa，原坝体最大拉应力较小，仅为0.61 MPa，新老坝体出现最大拉应力的位置相同，都位于左拱端坝顶处；坝体压应力均较小，最大值仅为-2.29 MPa，出现在拱冠梁底下游面，纵缝上，原坝体的最大压应力为-0.74 MPa，新坝体上的最大压应力为-1.18 MPa。从图2纵缝上的应力分布图可看出，缝面上第一主应力均为拉应力，且新坝体上的拉应力还较大，最大值为2.00 MPa，位于左拱端坝顶，两坝肩的拉应力也较大，最小值也有0.7 MPa。所以，实际工程设计中需先计算出缝面上的应力分布情况才可以给出具体的加固设计方案。

有了缝面上的应力分布图，实际设计中就可以根据缝面上的应力大小进行除险加固设计。

（说明：以上的应力结果有超出规范值的，属于有限元法的应力集中现象，用有限元等效应力法[3]计算后应力均能满足规范要求。）

图2 纵缝上的应力分布图

表1 大坝应力表 MPa

4 结论

（1）本文采用有限单元法（ANSYS）[4]进行计算，计算出加厚后的坝体应力及纵缝上的应力分布情况；

（2）从输出的结果图中可清晰地反映出坝体应力及纵缝上的应力分布情况，从计算结果来看，纵缝上的的拉应力较大，第一主应力均为拉应力，且新坝体上出现了较大拉应力；

（3）在进行拱坝加厚时，应该先计算出缝面上的应力分布，进而可以根据缝上的应力分布情况确定具体的新老坝体接缝上的除险加固方案。

[1] SL25-2006，砌石坝设计规范[S].

[2]SL282-2003，混凝土拱坝设计规范[S].

[3] 朱伯芳.拱坝的有限元等效应力及复杂应力下的强度储备[J].水利水电技术，2005（1）:43-47.

[4] 宋 勇，艾宴清，梁 波，等.精通ANSYS7.0有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2004.

（责任编辑：刘征湛）

Study of stress along longitudinal seam of arch dam ZOU Shuang

（College of Civil Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China）

When a arch dam is reinforced by thickening,a longitudinal seam parallel to dam axis forms between the old dam body and new dam body.It is impossible to take into account this longitudinal seam by traditional calcula⁃tion method.Combined with the calculation for a real reservoir reinforcement project with thickening of dam body,the author presented the calculation of stress distribution along this longitudinal seam that was conducted by finite element method（ANSYS）,based on which the consolidation scheme for this seam can be designed.

Stress distribution;finite element method;arch dam;thickening

TV642.4

B

1003-1510（2016）01-0029-02

2015-12-21

邹 爽（1975－），女，贵州盘县人，贵州大学土木工程学院副教授，硕士，从事水工结构研究。