混凝土溢流重力闸坝应力应变分析

摘要：本文结合都平水电站混凝土溢流重力闸坝的设计方案，建立三维混凝土溢流重力闸坝模型，运用大型通用有限元计算软件ADINA进行非线性有限元应力变形分析, 在设计水位下对闸坝坝体的典型剖面进行应力变形计算，并分析坝体的应力变形情况。

关键词：混凝土溢流重力闸坝，坝体，应力变形，有限元法

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

0引言

混凝土属于脆性的材料，其抗拉强度非常弱，大约只有其抗压强度的十分之一，如果混凝土的坝体开裂，那么将会造成十分严重的后果，因此对混凝土坝进行应力应变分析十分重要。

1工程概况

都平水库枢纽主要建筑物有水库大坝（主、副坝共2座）、船闸以及电站厂房等。闸坝的型式为砼重力坝，最大高度28.4米，堰顶高程:7米，正常高水位：34.1米。闸坝共11孔，总长184ｍ，每孔净宽14米，位于河床中部，地质条件较好，闸坝基础即置于弱风化层上。

2坝体应力变形数值模拟分析

2.1有限元模型的建立

2.1.1计算范围及计算坐标系的选取

本文选取都平水库的闸坝建立有限元模型，计算时暂且将地基看作刚性来处理，将其坐标原点设置于右岸地基模型上游处的最底点，选用整体直角笛卡尔坐标系来计算，坐标轴分别为X，Y，Z，其中，X轴方向为沿水流方向由上游处指向下游，Y轴沿坝轴线方向由右岸指向左岸，Z轴则垂直于地基面以竖直向上为正方向。

2.1.2模型材料参数的确定

根据都平水库混凝土物理力学试验资料，本次工程区域岩石及坝体的力学参数取值见表2-1

表2-1 材料的物理力学参数

Table 2-1 Physics parameters of materials

本文的计算所考虑的荷载主要是坝体及山体的自重及静水荷载：

(1)自重：坝体的材料为混凝土容重取23.5kN/m3 ，山体为弱风化岩容重取26 kN/m3；

(2)静水荷载：水的容重取为9.8kN/m3。

主坝稳定性分析计算包括以下几种工况：

（1）正常蓄水位34.10m，下游水位25.92m；

（2）设计水位上游36.07m，下游水位35.80m；

（3）校核水位上游水位38.45m，下游水位38.2m（P=0.2%）；

2.1.3计算网格的生成

本计算的网格的节点总数为54412个，单元总数为48288个。其中，闸坝坝体部分单元个数为10608个，山体部分为37680个。

2.1.4边界条件的定义

在都平水库混凝土溢流重力闸坝有限元模型中，平行于坝轴线方向的断面定义为水平约束(X=0)，地基底面定义为竖向约束(Z=0)，水平约束(Y=0)是垂直于坝轴线方向的两端断面，约束节点总数7696个，其余结构面为自由边界。

2.2有限元计算成果及分析

为了便于分析，本文在对模型进行计算后选取了几个典型的剖面对都平水库混凝土溢流重力闸坝坝体与坝基的应力变形状态进行分析研究。剖分的典型剖面（如图2-1）位置为：闸坝中部闸墩处剖面。

2-1 都平水库大坝闸坝典型剖面图

2.2.1正常蓄水位应力变形成果及分析

2.2.1.1应力变形成果图

下面将典型剖面的应力变形结果图按此顺序给出：大主应力分布云图、小主应力等值分布图及X水平位移分布云图和竖向位移分布云图等。

(1)F2剖面的应力变形结果图:图2-2—图2-5

图2-2 F2剖面大主应力等值分布云图(以拉应力为正，单位：Pa)

Fig.2-2 Maximum principal stress equal distribution of section F2

图2-3 F2剖面小主应力等值分布云图(以拉应力为正，单位：Pa)

Fig.2-3 Minimum principal stress equal distribution of section F2

图2-4 F2剖面X水平位移等值分布图(单位:m)

Fig.2-4 Horizontal X displacement equal distribution of section F2

图2-5 F2剖面竖向位移等值分布图(单位:m)

Fig.2-5 Vertical displacement equal distribution of section F2

2.2.2 成果分析

（1）坝体应力。由以上应力成果图可知：坝体剖面的大主应力分布比较规律，正常蓄水位大主应力的最大值发生在坝基上游底部及坝趾处，F2剖面最大压大应力为0.153MPa。剖面大主应力的最大值符合规范规定的抗压要求。剖面的大主应力的拉应力最大值出现在大坝的坝踵处，且出现拉应力的范围特别小，符合规范中的要求。在闸墩上部由于闸门的作用，剖面的闸墩上部均出现了较小的拉应力，应注意闸墩上的配筋情况。

从剖面的成果图可以看出，小主应力分布规律，坝体的最大压应力区分布在坝基底部。F2剖面小主应力坝趾处最大压应力为0.349MPa。剖面坝趾处的小主应力最大压应力数值大小符合规范规定的抗压要求。

(2)坝体应变分析。正常蓄水位坝体的X方向位移是坝体由上游向下游偏移。由以上成果图可以看出，X方向位移量一般较小，最大的位移量一般发生在闸墩顶部的下游处。F2剖面X方向上最大位移值为0.300mm，通过比较位移量由上到下逐渐减小。从Z方向位移分布图可以看出，剖面的Z向最大沉降均在坝顶处，F2剖面的最大沉降位移为1.110mm。Z向位移量沿Z向由上到下逐渐减小。

在设计水位及校核洪水位下坝体应力分布特征与正常水位的坝体应力分布类似，只是其最值有所不同。由于正常水位坝体水头差最大，其为设计最危险状况，只需验证该工况坝体的应力就满足规范的要求。

3 结语

通过对闸坝的有限元模型进行应力变形分析可以看出，坝体应力方面，闸坝大主应力最大值和最小值基本都分布在坝体的下部，坝踵位置压应力小甚至有拉应力出现，坝趾位置压应力较大，坝身未出现拉应力。在坝踵处的基岩及闸墩处出现了拉应力区域，未超过基岩允许拉应力值。随着水位的增高，小主应力的压应力值也增加。坝体变形方面，竖直方向位移变化不大，且都是随深度增加而逐渐减小。X方向的位移随水位的不同变化较大。综上可知，都平水库闸坝的运行是安全可靠的。

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