重力坝坝体材料分区应力分布特征

王 军

(丹东大禹水利水电工程建设监理有限公司，辽宁 丹东 118000)

重力坝是一种常见的水利工程结构物，是水利工程枢纽的关键建筑物。重力坝的稳定性关系到水利枢纽的正常运行。重力坝主要依靠自身重力维持稳定，在使用混凝土浇筑时，往往需要大量的材料，容易造成浪费。因此，有较多学者对混凝土重力坝结构优化设计进行研究，常用的方法包括：改进粒子群算法[1]、非线性规划法[2]、遗传算法[3]、几何优化算法[4]、拓扑优化算法[5]、ANSYS数值模拟方法[6]等，这类方法使用计算机程序语言对重力坝结构设计过程的重要参数进行最优化选取，通过工程实践的检验取得了较好的效果。重力坝结构断面的优化设计完成后，可进行材料分区优化设计。根据坝体内部应力分布特征选取合适的浇筑材料，从而达到科学合理设计的目标。重力坝材料分区优化设计中控制坝踵部位应力是难点问题之一[7- 8]。崔盼[9]、张邦琳等[10]认为在不同部位使用不同强度参数的材料有助于减小坝体内部尤其是坝踵的最大拉应力，从而优化坝体内部的应力分布。

本文以实际工程为例使用优化过后的重力坝断面建立不同分区材料的有限元数值模拟模型，对不同坝体材料分区坝体内部应力分布特征进行研究。

1 工程概况

重力坝位于辽宁省某市，坝体总高20m，顶宽5m，主要功能为蓄水解决当地用水问题，同时在洪水期担任部分防洪排涝作用。采用混凝土进行浇筑，通过结构优化设计，设计截面为上游折点高度为10m，下游折点高度为15m。上游坡高比为1∶0.2，下游坡高比为1∶0.7。重力坝底宽为17.5m。

2 重力坝材料分区

根据重力坝设计截面使用三种分区方式。①均匀分区；②在上下游折点高度处进行水平分区；③在上下游折点处垂直分区如图1所示。使用四种不同强度的混凝土材料进行浇筑，其中C1～C4表示混凝土弹性模型为：25.5、20、38、14GPa。分区方式一均采用C1材料进行浇筑。分区方式二各材料浇筑方案见表1。分区方式三各材料浇筑方案见表2。分区方式四各材料浇筑方案见表3。

表1 分区方式二各材料浇筑方案

表2 分区方式三各材料浇筑方案

表3 分区方式四各材料浇筑方案

图1 分区方式示意图

3 不同分区条件下重力坝坝体应力分布特征

在基本荷载工况下，对分区方式一的应力分布特征进行计算(坝体使用材料C1浇筑，坝基使用材料C2浇筑)，建立数值模拟进行有限元应力分析。坝踵-坝趾随着距离变化的应力分布如图2所示。当坝体下方混凝土材料的弹性模量增大时，坝趾处的水平方向应力也会随着增大，这将会对坝体结构自身的稳定性产生不利影响；当坝体下方混凝土材料的弹性模量较小时，坝趾处的水平方向应力也会随着减小，但坝踵处的拉应力会增大、坝趾处的压应力也增大。因此，在进行坝体材料分区时，应采用更为细致的分区方式，从而使得坝体内部应力分布较为合理，因此应对分区方式二、三、四这3种更为细致的分区方式即材料浇筑方案三-方案十六共14种材料浇筑方案进行研究。

图2 分区方式一、分区方式二数值模拟计算结果

各方案三-方案十六与坝体为分区应力分析结果见表4。

表4 不同方案应力分析结果 单位：MPa

根据表4所示，与坝体未分区应力计算结果相比，当分区方式三分区3和分区4、分区方式四分区3和分区5采用C4材料进行浇筑时坝踵区的主应力产生小幅度的减小，坝踵和坝址区的水平方向应力减小约25%～40%，但坝踵区的主应力增大约12%，这种应力分布情况对重力坝结构的稳定性不利。当分区方式三分区3和分区4、分区方式四分区3和分区5采用C3材料进行浇筑时坝踵及坝址区的主应力减小约10%～45%，但坝址区的水平方向应力产生较大幅度的增大，这对重力坝下游的稳定性较为不利，方案三～方案十为较为不合理的分区和材料浇筑方案。

因此，对分区方式四的其他混凝土材料浇筑方案进行研究，即方案十一-方案十六。当分区3使用C4进行浇筑，分区5使用C3材料进行浇筑时，坝踵和坝趾区的主应力产生减小，坝趾部位的水平方向应力增大，方案十一不合理；当分区3使用C3进行浇筑，分区5使用C4材料进行浇筑时，坝踵区的水平方向应力和坝趾区域的主应力和水平方向均有一定程度的减小，但坝踵部位的主应力增大约27%，这对重力坝的稳定性也是不利的，方案十二不合理；当分区3使用C4进行浇筑，分区5使用C1材料进行浇筑时，坝踵和坝趾区的主应力以及水平方向应力分别减小约3%、40%、19%、8%，因此，方案十三是可行的；方案十四应力分布特征与方案十二类似，是不合理的；当分区3使用C1进行浇筑，分区5使用C3材料进行浇筑时，坝踵和坝趾区的主应力减小，水平方向应力增大，因此方案十五、方案十六不合理。方案十一与方案十六和方案十三的混凝土材料梯度差值方向是一致的，但前两者混凝土弹性模量梯度差值为24GPa和12.5GPa，方案十三的弹性模量梯度差为11.5GPa，因此，可以认为是梯度差值较差导致方案十一与方案十六重力坝内部应力分布较为不合理。

4 结论

(1)在进行重力坝结构断面优化设计的基础上，进行混凝土浇筑材料分区设计，共选取了四种分区方式十六种混凝土浇筑方案，结果表明有效的梯度差方向有助于重力坝内部应力的优化，方案十三为最优的分区方式和最优的混凝土材料浇筑方案。

(2)在保证混凝土弹性模量梯度差值方向一致的情况下，差值大小为影响应力分布的主要影响因素，通过对比方案十一、方案十三、方案十六，认为11.5GPa为较为合适的混凝土浇筑弹性模量梯度差值，该结果可为类似工程提供参考。