贵州五嘎冲水库碾压混凝土双曲拱坝坝体有限元分析

程 伟

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

五嘎冲水库位于普安县西南雪浦乡与盘县交界的马别河的隔界河段，是一座开发任务为城乡生活和工业供水、灌溉、发电等的中型水库。水库为附近6个乡镇的城镇人口和部分农村人畜提供用水(其中城镇人口7.96万人，农村人口2.75万人，牲畜4.46万头)。坝后电站装机15 MW，保证出力0.65 MW，多年平均发电量2 971万kW·h，年利用小时数1 981 h。

2 坝体结构形式

大坝坝型采用C20碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 340 m。河床坝基开挖至弱风化中部基岩，坝基高程1 232 m，最大坝高108 m，坝顶宽6～6.6 m，坝顶轴线总长181.91 m。大坝左右两岸为非溢流坝，河床段为溢流坝。

水库正常蓄水位河谷宽116 m，底部宽约55 m，河床距离正常蓄水位高差70 m，河谷宽高比1.65，为左右岸对称性较差的 “U”形谷，左岸地形坡度约80°，右岸地形坡度约60°，采用抛物线双曲拱坝(图1)。拱坝体型参数见表1。

表1 拱坝体型几何特性表

3 大坝三维有限元受力分析

采用ANSYS软件对拱坝进行三维有限元应力计算。

3.1 有限元模型

3.1.1 坐标系的选取

整个有限元模型建立在笛卡尔坐标系下，X轴为垂直于河流向，由右岸指向左岸为正；Y轴为顺河流方向，指向上游为正；Z轴为铅直方向，向上为正。

3.1.2 计算域的选取

坝前、坝后、左右岸拱端及底部地基取1倍坝高左右。

3.1.3 边界条件

在坝体和地基构成的整个计算域内，对基岩的上、下游面施加Y方向的约束，左、右岸边界均施加X方向的约束，基岩底部施加X、Y及Z方向的约束。

3.1.4 有限元网格模型

按坝体的实际体型进行建模，由于溢洪道开孔较小，忽略其影响，采用SOLID45单元(8节点6面体等参单元)对坝体及基础进行有限元离散。在有限元模型建立时充分考虑了坝体的形状、基岩材料的分区以及多种荷载的施加区域等，同时，坝基及坝体近似假定为各同向同性、均质、连续的线弹性体。整个计算域共离散为9 304个单元，12 318个结点，整体三维有限元网格图见图2。

图1 拱冠梁体型示意图

图2 整体三维有限元网格图

3.2 荷载组合及计算参数

根据规范，设计荷载组合分为基本组合和特殊组合，根据工程实际情况拟定二种工况进行计算。分别如下：

(1)死水位1 305 m+坝体自重+设计正常温升+扬压力+泥沙压力

(2)正常蓄水位1 337 m+坝体自重+设计正常温降+扬压力+泥沙压力

计算参数取值如下：

坝体C20三级配碾压混凝土：弹性模量20 GPa；泊松比0.20；线膨胀系数8.5×10-6；容重24 kN/m3；道温系数0.004 5 m2/h。

T2g2-1基岩(弱风化)：变形模量8.5 GPa；泊松比0.26；线膨胀系数7×10-6；容重27 kN/m3，容许承载力3.5～4.5 MPa。

T2g2-2基岩(弱风化)：变形模量7.5 GPa；泊松比0.30；线膨胀系数7×10-6；容重27 kN/m3；容许承载力3.5～4.5 MPa。

泥沙：50 a坝前淤沙高程1 286.77 m；泥沙的内摩擦角10°；泥沙浮容重8 kN/m3。

气温：最冷月1月平均气温4.5℃；最热月7月平均气温20.9℃；日照影响2℃；多年年平均气温13.7℃；设计正常温降11.2℃；设计正常温升9.2℃；水表面年平均水温15.7℃；库底年平均水温或恒温层温度9℃；下游尾水槽底部水温12.5℃；表面水温年变幅8.2℃；封拱温度取15℃。

3.3 有限元计算结果

根据计算结果整理如下，如无特殊说明，应力图的单位为0.1 MPa，压应力为负，拉应力为正，均为下游立视图 (见图3和图4)。

图3 工况1情形下主应力图

图4 工况2情形下主应力图

4 有限元计算结果分析

根据图3和图4有限元计算成果，分析如下：

(1)工况1： y方向(顺河流向，向上游为正)的最大位移为-35.8 mm，发生部位是靠近溢洪道处的左岸坝体。第一主应力最大值为2.76 MPa，发生在左坝肩中上部；第三主应力在底部靠近拱端区域发生小范围应力集中，最大值达到了-6.76 MPa(负号表示压应力)，而无应力集中区域的最大值达到了-3.98 MPa。

(2)工况2：y方向(顺河流向，向上游为正)的最大位移为-19.8 mm，发生部位是靠近溢洪道处的左岸坝体。第一主应力最大值为2.79 Mpa，发生在左坝肩

中下部；第三主应力在底部靠近拱端区域发生小范围应力集中，最大值为-6.49 MPa(负号表示压应力)，而无应力集中区域的最大值达到了-3.71 MPa。

5 结语

通过对嘎冲水库碾压混凝土双曲拱坝坝体有限元分析，ANSYS计算出的主拉应力与主压应力的极值均相对较高，可以看出较高的拉应力及压应力基本上出现在靠近基础部位。采用三维弹性有限单元法计算拱坝应力时，近基础部位存在着显著的应力集中现象，尤其是有限元法计算出的拉应力有时远远超过了筑坝材料的抗拉强度。对于理想的弹性固本，上述应力集中现象是可以理解的，但在实际工程中，由于岩体内存在着大小不等的各种裂隙，应力集中现象将有所缓和，所以有限元法计算拱坝所反映的严重应力集中现象并不一定符合实际。

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