混凝土重力坝泄洪孔底板有限元分析研究

潘广良

(方正县河湖运行保障中心，黑龙江 方正 150800)

0 前 言

混凝土坝常用泄洪方式为坝身孔口泄洪，该方式对结构整体性造成影响，应力集中也给坝体安全运行带来一定压力。文章结合实际重力坝工程，建立泄洪底孔底板及侧壁的三维有限元模型，计算不同工况下的结构应力变形结果，分析其分布变化规律，成果可为同类工程稳定性分析提供一定指导意义。

1 概 述

混凝土坝一般利用泄水和挡水建筑物联合泄洪，因其显著结构特点在大坝设计中被广泛应用。泄水方式主要分为表面溢流式和深式泄流式，前者泄流能力大，超泄能力突出，设计时可优先考虑。后者因进水口在水面线下，放水条件与灵活性优越，有效增强水库利用率。坝身开孔通常会带来大坝应力场变化，应力集中现象显著，部分区域产生较高拉应力[1]。因此应着重计算分析孔洞附件坝身的的应力状态。

2 混凝土应力有限单元法[2]

在有限元原理中，相互作用力下的结点力和结点荷载可保持平衡，方程式为：

(1)

式中：Fi为结点力；Ri为结点荷载。

设某n点结点单元受集中荷载P作用，若单元发生虚位移，各结点虚位移为{δ}e，单元内任意一点的虚位移为{f}，则由位移模式可得：

{f}=[N]{δ}e

(2)

基于静力等效原理，虚位移中的原荷载和单元结点荷载值相等，则

({δ}e)T{R}e={r}T{P}

(3)

消去{δ}e可得

{R}e=[N]T{P}

(4)

对面力{P}dxdy积分，且当做集中荷载P，可得：

(5)

经过转换后，将平衡方程集合，可得整个结构的平衡方程式：

[K]{δ}={R}

(6)

由平衡方程组式解出位移{δ}后,可得单元应变和应力。

3 工程实例

3.1 工程概况

某水电站位于甘肃省境内，工程规模为中型Ⅲ等。水库正常蓄水位1748.00m，可调节库容为0.44亿m3，电站总装机240MW，多年平均发电量10.2亿kWh。建筑物主要包括重力坝、泄洪表孔、排沙底孔、厂房等，最大坝高59.0m[3]。泄洪底孔为8.0m×8.0m有压，布置在河道右岸。

3.2 计算参数

混凝土强度及弹性模量，见表1。

表1 混凝土强度及弹性模量表

3.3 有限元模型

计算模型为泄水底孔坝段，模型选取坝基岩体、上下游各取1倍的坝高。模型采用8节点六面体SOLID45单元模拟，板用壳SHELL93单元模拟[4]，模型共模拟单元数69724，节点28710。泄洪孔底混凝土板及侧壁，见图1。

图1 泄洪孔底混凝土板及侧壁

边界条件：坝基为三向约束，坝体上下游及左右边界为法向链杆约束[5]。

3.4 计算结果

计算工况：

工况1：大坝在建：坝体自重。

工况2：正常运行：自重+外水压力+内水压力+泥沙压力+浪压力+弧门推力+门机轮压。

工况3：检修状况：自重+外水压力+内水压力+泥沙压力+浪压力+侧向外水压力。

泄洪孔底板侧壁应力应变结果，见表2；位移变形结果，见表3。

表2 泄洪孔底板及侧壁应力应变结果

表3 泄洪孔底板及侧壁位移变形结果

从表2-3可得，工况1产生三向最大拉应力，工况2和工况3应力值较小，分析因扬压力作用，泄洪孔底板和坝体基岩接触面承受荷载变形，该结构的受力方式发生变化。为进一步分析泄洪孔应力变形致因荷载，选取泄洪孔底板剖面，泄洪孔底板和侧壁选取剖面，见表4。

表4 泄洪孔底板和侧壁选取剖面

1#剖面X方向正应力sx，见图2；1#剖面Y方向正应力y，见图3；1#剖面Z方向正应力z，见图4；2#剖面X方向正应力sx，见图5；2#剖面Y方向正应力y，见图6；4#剖面Z方向正应力z，见图7。

图2 1#剖面X方向正应力sx

图3 1#剖面Y方向正应力y

图4 1#剖面Z方向正应力z

图5 2#剖面X方向正应力sx

图6 2#剖面Y方向正应力y

图7 4#剖面Z方向正应力z

由上述结果可得出，顺河向出现最大正应力1.552MPa(工况1)，位置在灌浆廊道底部，分析是因为坝体自重产生较大应力集中。竖向最大拉应力出现在灌浆廊道拱顶，最大值2.058MPa(工况1)，压应力最值基本都在坝体基岩接触位置，最值均<3.5MPa，满足规范设计要求。

4 结 论

文章通过对某重力坝泄洪孔底板的应力变形计算，分析不同工况下的结构应力变形，结合不同剖面典型分析应变分布规律，结果表明泄洪孔坝体与基岩基岩接触部位产生较大拉、压应力，区域应力集中造成结构变化，对泄洪孔安全稳定造成一定影响，在施工开挖应减少扰动，保证施工平顺。