基于ANSYS软件的坝体加固有限元分析及开裂模拟

田 涛，王 建（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410007）

基于ANSYS软件的坝体加固有限元分析及开裂模拟

田 涛，王 建（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410007）

本文采用三维非线性有限元分析方法对混凝土单支墩大头坝加固改造为重力坝进行应力变形计算和坝体开裂模拟，结果表明：在竣工期和满蓄期大坝的应力及变形分布规律基本合理；位移值也在规范允许范围内；水库加固正常蓄水后，坝体出现开裂可能性较小。

ANSYS软件；坝体加固；有限元分析；开裂模拟

按湖南省第一次水利普查资料显示，湖南现有水库总数14121座，占到全国的1/7，居全国第一位。部分水库由于设计和施工时科技水平的限制，地质勘测、设计、施工都存在一些问题，随着坝体老龄化，这部分水库不能在原有设计工况下正常运行，进行除险加固是十分迫切和必要的。本文采用有限单元法，针对茶安水库混凝土单支墩大头坝坝体加固这一案例，对加固后坝体在不同工况荷载的应力-应变进行了模拟分析，得出了大坝的应力和位移分布规律，并对坝体开裂进行了模拟计算，论证了加固方案的可行性。

1 工程概况

茶安水库原名仙下水库，始建于1958年9月，是一座以灌溉为主的Ⅲ等中型水库，现有大坝为混凝土单支墩大头坝，由9个支墩和左右岸边墩组成，坝顶高程211.645m，最大坝高41m，坝顶宽3.2m，支墩之间设有0.6m厚的肋墙，间距5m，2002年除险加固时在支墩空腔采用了钢筋混凝土底拱，底拱上回填砂卵石至肋墙顶。

设计加固方案：坝顶高程加高至215.01m，在坝后对坝体加宽7m，坝顶宽度变为13m，拆除肋墙，清除原坝体内部回填的砂卵石及支墩空腔间的底拱及底板，清基至弱风化层，采用C20混凝土进行回填，与原坝体形成一整体，形成一实体重力坝。

2 计算原理

茶安水库大坝加固后，其坝体形式由现在混凝土单支墩大头坝变为混凝土重力坝，坝体由混凝土支墩大头坝和坝后加固体两部分组成。加固体与原坝体结构一起形成了一种二次组合结构，新旧两部分结构存在整体工作共同受力的问题。整体工作的关键，取决于结合面的状况，新旧坝体结合之间空隙的大小决定了新旧坝体分担上游水压力荷载的大小。当新旧坝体结合面之间的空隙较大时，混凝土单支墩大头坝将承担较大的上游水压力。在高应力作用下，坝体可能会发生局部开裂破坏。因此，有必要采用有限单元法对结合面空隙的大小对旧坝结构受力的影响进行研究。

3 计算模型及方法

3.1 计算模型

本文采用三维线性有限元法计算茶安水库大头支墩旧坝，加固体在竣工期及蓄水期的应力变形特征。加固体及旧坝均按各向同性线弹性体模拟，开裂采用分布式裂缝模型模拟。

大坝三维有限元计算范围：X方向由右岸指向左岸；Y轴由下游指向上游；Z轴铅直向上。

大坝结构和坝址区岩体的物理力学参数如表见表1。混凝土的抗拉强度取为1.30MPa。

表1 岩体物理力学参数表

3.2 计算网格的划分

在所选用的模型模拟范围内，岩体8采用等参块体单元SOLID45。大坝结构的现有坝体及加固体均为混凝土的块体结构，采用混凝土单元SOLID65模拟，为了更精确的模拟其力学行为，对大坝采用网格进行适当加密。

3.3 计算方法

茶安水库大坝模型边界条件为：模型底面施加铅直约束，岩体的上游断面，下游断面和各个侧面加与该面垂直的约束，岩体的顶部表面和大坝表面按自由面处理。荷载取值按相关规范，结合大坝设计时确定的不同水位，制定了不同的计算工况。

坝体开裂模拟以校核水位为基本荷载，通过在旧坝体上游施加不同比例的基本荷载，对结合面空隙的大小进行间接模拟。

4 计算结果分析

4.1 模型坝体及坝基位移计算结果

（1）空库工况下，同一高程而言，坝体下游面铅直向位移大于上游面铅直向位移；坝体铅直位移随距坝趾距离的增加而减小，坝趾最大位移为2.822mm（沉降），坝顶最大位移为1.951mm（沉降），坝踵最大位移为1.5mm（沉降）；坝基岩体铅直向位移随距坝体距离的增加而减小，建基面下游坝趾处铅直位移最大；坝体水平y向位移整体随高程增加而变化，整个坝体的水平位移均较小，坝基内水平y向位移沿水平方向变化，坝轴线上游侧岩体向上游变位，坝轴线下游侧岩体向下游变位。

（2）设计洪水位、校核洪水位和正常蓄水位三个工况坝体及坝基变位分布呈现的规律相近。坝体位移分布特征为：坝体在上游水压力的作用下整体倾向下游变位，垂直方向仍为沉降；垂直位移随距坝趾的距离增加而减小，坝趾处的位移最大。整个坝体的水平位移均较小，坝基内水平y向位移沿水平方向变化，坝轴线上游侧岩体向上游变位，坝轴线下游侧岩体向下游变位。

4.2 坝体结构及坝基应力特性

（1）在空库工况坝体及坝基的大主应力（压应力）随高程降低而增大，就同一高程而言，两侧坝体应力较大而中间坝段坝体应力较小，坝体上下游面应力较大，而中间应力较小。坝体新旧混凝土胶结面处存在应力突变现象。

（2）设计洪水位、校核洪水位和正常蓄水位三个工况坝体及坝基应力分布呈现的规律相似，因此，本文中仅给出正常蓄水位工况坝体及坝基的应力云图，如图1所示。由图可知，坝体及坝基应力随高程的增大而减小，随上游水压力的增加，上游坝踵应力随之减小，下游坝趾则随之增加，正常蓄水位工况坝趾处大主应力最大值约为2.33MPa（压应力），设计洪水工况为2.55MPa，校核洪水工况为2.55MPa。同时，在新旧混凝土胶结面上存在应力突变现象。

图1 正常蓄水位工况坝体及坝基σ1横剖面应力云图

三种工况下，坝体及坝基小主应力分布规律也基本相似，即受上游水压力作用及坝基强风化层的影响，坝体的建基面附近存在拉应力区，正常蓄水位工况拉应力最大值为0.506MPa，设计洪水工况为0.506Pa，校核洪水工况为0.506MPa。

4.3 坝体开裂模拟结果

由计算结果可知，将校核水位时上游水压力全部施加在模型上进行计算时，坝体未出现开裂现象，因此以下仅给出该工况的计算结果。

图2 计算坝段坝体σ1应力云图 图3计算坝段坝体开裂位置示意图

由图2可知，计算坝段坝体最大拉应力约为0.6MPa；由图3可知，整个坝体无开裂现象发生。

5 结论

通过大坝三维非线性有限元静力分析，可以得到以下结论：

（1）同一高程而言，坝体下游面铅直向位移大于上游面铅直向位移，且坝体铅直位移随距坝趾距离的增加而减小。同时，上游坝踵处铅直位移随上游水压力增加而减小，而坝趾处铅直位移则随之增加。坝基岩体铅直向位移随距坝体距离的增加而减小，建基面下游坝趾处铅直位移最大。整个坝体的水平位移均较小，坝基内水平y向位移沿水平方向变化，坝轴线上游侧岩体向上游变位，坝轴线下游侧岩体向下游变位。

（2）坝体及坝基应力随高程的增大而减小，随上游水压力的增加，上游坝踵应力随之减小，下游坝趾则随之增加。同时，在新旧混凝土胶结面上存在应力突变现象。坝体及坝基小主应力分布规律也基本相似，坝体的建基面附近存在拉应力区。

坝体及坝基的垂直向应力σz随高程降低而增大，就同一高程而言，坝体上下游面应力较大，而中间应力较小。由于受到坝体上游水压力的作用，坝体的应力与空库工况相比有明显减小。新旧混凝土胶结面处应力出现明显的突变现象。同时，随着水压力的增加，上游坝踵处应力随之减小，下游坝趾处应力随之增大。

（3）由模拟结果可知，水库加固正常蓄水后，坝体出现开裂可能性较小。

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TV31

A

2095-2066（2016）33-0085-02

2016-11-12

田 涛（1982-），男，工程师，本科，主要从事水利水电工程设计研究工作。