某小型橡胶坝数值模拟研究

王 宁 刘邦俊 许 荔 夏明月 孙祥志

①南京市水利规划设计院股份有限公司 ②南京市长江河道管理处

橡胶坝是拦河水利构筑物常用的一种形式，具有可恢复、造价低、容易施工、对周边生态影响小等显著优点。为进一步研究橡胶坝的安全问题，同时为同类工程的安全稳定提供借鉴，本文以江苏省宿迁市泗洪县天岗湖湖区某天然橡胶坝为例，借助ANSYS有限元软件进行三维数模计算，建模分析研究其安全稳定性。

橡胶坝利用坝体内部充胀（主要采用气体或者无腐蚀性水质）来拦截水流，其优点是可以随时采用排出介质的方式，恢复原过水断面，同时由于橡胶坝上表面设有溢流孔，可以使洪水期的漂浮物以及悬移质泥沙顺利从橡胶坝断面下泄。同时，橡胶坝用料省、造价低、施工周期短、对周边生态环境影响小，被广泛应用于各类小型水利设施中。截至2018年，我国现运营的橡胶坝总数超过3500座，应用较为普及。

为进一步研究橡胶坝的安全问题，同时为同类工程的安全稳定提供借鉴。本文以江苏省宿迁市泗洪县天岗湖湖区某天然橡胶坝为例，借助三维数模，建模分析研究其安全稳定性。

1 实例工程概况及基本条件介绍

1.1 橡胶坝概况

实例工程位于江苏省宿迁市泗洪县天岗湖湖区，位于天岗湖引河渠上，距离香套湖12.5 km，结构为开敞式钢筋砼结构，宽约31.0 m，坝体总长约86.70 m，上游连接段共长为34.20 m，坝室段共长14.0 m。下游连接段长为38.50 m，墩顶高程20.70 m（本文均采用85高程，下同），底板高程15.13 m。建筑物级别为Ⅳ级。

1.2 特征水位

根据《天岗湖湖区调度运行办法》，本工程区域正常蓄水位18.93 m，10年一遇设计水位为19.7 m。

2 三维有限元模型建立及工况分析

2.1 三维有限元模型建立

借助ANSYS进行建模分析，采用稳定性最好的三角形进行网格划分，网格间距设为3 m，局部区域进行加密处理。同时，计算模块采用SHELL41单元。整体模型共16552个网格节点和89668个网格。实例工程三维数模模型见图1。

图1 实例工程三维数模模型示意图

2.2 计算工况分析

本文拟分析在下游无水的承载工况下，分析上游挡水深分别是0 m（工况一）、1 m（工况二）、2 m（工况三）、3 m（工况四）、4 m（工况五）这五种情况下，分析坝体应力分布、坝体位移等情况。

3 计算结果分析

3.1 坝体应力分布

将坝体在工况一和工况五情况下的应力分布情况绘于图2，实例工程应力计算结果见表1，分析可知：

（1）上游水深不同时，橡胶坝所产生的应力最大值均处于坝袋与其它物体的锚固处，在挡水水深为0 m（工况一）时，实例工程最大主应力为9.60 MP。

（2）随着挡水水深逐渐增大，最大主应力逐渐减小。当挡水水深增大至4.0 m时，实例工程最大主应力下降为7.65 MP。

（3）X方向应力及Y方向应力的变化趋势与主应力相同，均为随着挡水水深增大而减小。

表1 实例工程应力计算结果

图2 坝体在工况一和工况五情况下的应力分布情况

3.2 坝体位移分析

将坝体在工况一和工况五情况下的应力分布情况绘于图3，实例工程位移计算结果见表2，分析可知：

（1）在各工况下，橡胶坝坝体上最大的水平、竖向位移均发生在实例工程顶部略倾向上游位置。

（2）在各工况下，采用反向施加荷载的方法，将水的作用力加到坝袋上，可以使坝袋被反方向推回。由此可见，坝袋变形是处于随着水深的增加而在减小的状态，坝体不挡水时其产生的变形沿坝轴线上下游是对称的。与此同时，坝体在两侧护岸、岸坡的约束下，坝轴线基本没有发生变形、位移。因此，采用反向施加荷载的方法可以有效减少坝体变形。

图3 坝体在工况一和工况五情况下的坝体位移分布情况

表2 实例工程位移计算结果

4 结论

本文借助ANSYS有限元计算模型，以宿迁市泗洪县天岗湖湖区某橡胶坝为实例工程，对橡胶坝的结构稳定进行了数值模拟研究，研究结果显示：

（1）随着挡水水深逐渐增大，最大主应力逐渐减小，且在不同工况下出现在上下游锚固线处和两岸岸坡附近。因此，这些区域是坝体锚固、防护的重点区域，必要时可增加高强度螺栓锚固进行辅助加强。

（2）根据各工况下橡胶坝坝体位移分布来看，在各工况下，最大的水平、竖向位移均发生在实例工程顶部略倾向上游位置。同时，采用反向施加荷载的方法可以有效减小实例工程变形。