有限元法在坝体加固后结构应力计算中的应用

朱承志，徐晓烨

（南京瑞迪建设科技有限公司,江苏 南京 210000）

0 引言

有限元法是把坝体与地基等连续体分解为有限数目的离散单元体,单元与单元之间通过结点相铰接,形成一个离散结构,凡是作用在单元上的荷载,都等效作用于结点,作为结点荷载[1]。相较于材料力学法,具有计算精度高,能适应各种复杂边界条件的优点。本文采取有限元法对坝体加固前后各工况下应力进行分析计算。

1 工程概况

雷公滩水库位于汉江支流南河上游,坝址以上控制集雨面积1410 km2,多年平均径流量为6.7×108m3。水库原设计总库容2550×104m3,死库容1080×104m3,为Ⅲ等工程,是一座综合利用的中型水库工程。

根据大坝安全鉴定结论,主要存在排水孔出水量大,帷幕灌浆不能满足要求,坝体坝基排水管堵塞失效,坝基扬压力偏高,坝体强度和稳定性不满足要求等问题。

因此,主要的加固设计工程建设内容包括：大坝加固工程（溢流坝段及非溢流坝段）、冲沙放空孔加固工程、灌溉输水管加固工程、输水隧洞加固工程、灌溉发电输水干管加固工程等。加固措施无疑将改变坝体应力分布,对加固后的应力计算非常重要。

2 有限元法应力分析

2.1 有限元模型建立

分别建立溢流坝段、非溢流坝段、灌溉发电输水干管坝段三个典型断面的三维有限元模型。有限元模型计算范围：向上游截取2 倍坝高,向下游截取2 倍坝高,向基岩截取2倍坝高。在横河向,非溢流坝段取宽度17 m,溢流坝段取宽度13 m,横缝布置在闸墩中间,闸孔净宽10 m,闸墩厚3 m,灌溉发电输水干管坝段取宽度17 m。

坐标系设置如下：x 向为顺河向,y 向为横河向,z 向为垂直向。采用六面体八节点等参单元进行网格剖分,溢流坝段共剖分13076 个单元,其中新坝砼6452 个单元,老坝砼1712 个单元；非溢流坝段共剖分10902 个单元,其中砼坝体4554 个单元,坝后回填石渣732 个单元,石渣挡墙624 个单元；灌溉发电输水干管坝段模型共剖分7880 个单元,其中砼坝体4536 个单元。各典型断面的有限元模型及网格剖分见图1。

图1 应力计算有限元模型及网格剖分

2.2 计算参数及荷载组合

新坝体混凝土综合弹性模量Ec=23 GPa；老坝混凝土综合弹性模量Ec=22.0 GPa；基岩综合变形模量ER=8.5.0 GPa；非溢流坝坝后回填石渣综合变形模量0.45 GPa；非溢流坝坝后石渣挡墙综合弹性模量6.0 GPa；砼泊松比0.17 基岩泊松比0.3。作用于坝体上的荷载及荷载组合见表1,共四个计算工况。

表1 荷载组合

2.3 加固前大坝结构计算

采用有限元法进行典型部位强度分析结果见表2,不同工况下大坝的安全系数见表3。

表2 应力计算结果

表3 不同工况下大坝的安全系数

由上述计算结果可知：

（1）在坝基帷幕有效,排水管淤堵失效,扬压力折减0.5情况下,非溢流坝和溢流坝段坝踵拉应力区的范围均超过规范规定的“坝踵拉应力区小于0.07 倍坝底宽”,不满足规范要求。

（2）非溢流坝段校核工况,坝踵处于拉应力状态,不满足规范要求。非溢流坝段其它工况和溢洪坝段各工况均满足规范要求。

（3）非溢流坝由于坝高较低,各工况计算的安全系数都满足规范要求；溢流坝由于坝高较高,其稳定安全余度较低,设计工况、校核工况计算的安全系数不满足规范要求。

2.4 加固后计算分析

根据计算结果,第一主应力分布见图2～图4,图中拉应力为正,压应力为负；坝踵、坝址处应力计算结果见表4。灌溉发电输水干管坝段管道应力分析结果见表5。

表4 典型断面坝踵坝址处应力分析结果

表5 灌溉发电输水干管坝段管道应力分析结果

图2 非溢流坝段不同计算工况的第一主应力分布

图4 灌溉发电输水干管坝段不同计算工况的第一主应力分布

分析上述图表可知：

（1）对于非溢流坝段,表4 结果显示,虽然在校核洪水位情况下,坝踵处出现拉应力,但其拉应力范围小于允许值2.6 m,满足相应规范要求。

（2）对于溢流坝段,表4 结果显示,虽然在各种计算工况下,坝踵处均出现较小的拉应力,但其拉应力范围小于允许值2.8 m,满足相应规范要求。另外,图3 结果显示,在弧形闸门支撑点部位存在应力集中现象,且在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位和地震情况下,该部位的拉应力分别为1.239 MPa、1.332 MPa、2.282 MPa、1.239 MPa,判定该部位钢筋混凝土结构不会产生裂缝,这与实际运行情况一致。

图3 溢流坝段不同计算工况的第一主应力分布

（3）对于灌溉发电输水干管坝段,图4 结果显示,在各种计算工况下,引水灌溉发电输水干管内在进出口附近的管顶和管底均存在应力集中现象；表5 结果显示,各种计算工况下,在进出口附近的管腰处压应力达最大,最大值为1.056 MPa,进出口附近的管顶和管底处的最大拉应力为0.326 MPa,能满足安全运行要求。

3 结语

雷公滩水库经安全鉴定为“三类坝”。该水库工程存在较严重的渗流阻塞、结构稳定、施工缺陷等质量隐患问题,影响水库大坝安全运行,水库综合效益低下,影响水库受益区民众的正常生活,不利于水资源高效利用。对雷公滩水库坝体进行除险加固设计,同时利用有限元法对加固前后的效果从应力分布角度进行分析是客观可信的,为工程效益评价及加固设计参数选取均提供了科学依据。