高拱壩表孔對壩體應(yīng)力變形影響分析

楊 勝, 彭 顯 國

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

目前我國西南地區(qū)涌現(xiàn)出一大批已建和待建的高拱壩，泄洪量不斷攀升，壩頂開設(shè)表孔尺寸日益增大。壩頂開設(shè)大孔口，造成壩頂不能形成連續(xù)性拱圈，且壩頂一般較薄，設(shè)置弧形閘門又需要一定的空間，從而要求在表孔的上、下游增設(shè)支承水平梁及閘墩，使得表孔結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜。此外，孔口會(huì)造成局部應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致孔口局部混凝土開裂和裂縫的發(fā)展，進(jìn)而影響壩體的正常運(yùn)行，對大壩的安全造成影響，是大壩設(shè)計(jì)中較為關(guān)注的問題之一。拱壩應(yīng)力狀態(tài)呈典型三維分布特征，孔口簡化為二維計(jì)算必然損失精度，無法真實(shí)地描述孔口周圍的應(yīng)力分布規(guī)律，分析其影響因素。筆者以某工程的表孔為研究主導(dǎo)，建立了不同表孔結(jié)構(gòu)形式的拱壩模型，基于ANSYS 中的子模型技術(shù)進(jìn)行了三維有限元計(jì)算分析，以了解不同孔口尺寸、不同形式的水平梁及閘墩情況下表孔局部應(yīng)力分布情況及其對壩體應(yīng)力變形的影響，從而為高拱壩表孔的布置及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，對節(jié)省工程投資具有重要意義。

某水電站樞紐位于高山峽谷區(qū)，攔河大壩為對數(shù)螺旋線雙曲薄拱壩，最大壩高250 m。壩身泄洪采用表孔、深孔(底孔)聯(lián)合泄流方式。三個(gè)泄洪表孔布置于壩頂中部，由進(jìn)口段、平直段、WES曲線段和反弧段(左、右表孔包括鼻坎段)或斜直段(中表孔包括跌坎)組成。三個(gè)進(jìn)口共用一扇平板檢修門，每孔布置一扇弧形工作門，單孔凈寬13 m；消能工為橢圓及蝙蝠型舌型挑(跌)鼻坎。

2 計(jì)算模型

拱壩整體模型包括整個(gè)壩體、地基及表孔閘墩結(jié)構(gòu)等，沒有考慮壩體廊道及深孔(底孔)的影響。子模型選取表孔所在位置的四個(gè)壩段，并通過比較切割邊界上的應(yīng)力結(jié)果與整體模型相應(yīng)位置的結(jié)果是否一致驗(yàn)證了子模型邊界的合理性。在保證計(jì)算精度的前提下，對表孔結(jié)構(gòu)的主要研究部位盡量精確模擬，對次要部位合理簡化。整體模型、子模型網(wǎng)格剖分基本采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，部分通過四面體實(shí)體單元進(jìn)行過渡。拱壩整體、子模型有限元模型見圖1、2。

圖1 拱壩整體有限元模型示意圖

圖2 子模型有限元模型示意圖

計(jì)算工況為正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位兩種，主要考慮的荷載有水壓力、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、壩體自重、弧門推力以及溫度荷載等，荷載組合情況見表1。其中水荷載簡化計(jì)算，即在上、下游壩面施加靜水壓力,壩底及壩肩施加揚(yáng)壓力(壩底揚(yáng)壓力的計(jì)算考慮了防滲帷幕及排水管的作用)；表孔泄流時(shí)根據(jù)水工模型試驗(yàn)所得水面線簡化施加流道水壓力；弧門擋水時(shí)，弧門上游均為相應(yīng)水頭的靜水壓力；檢修情況考慮進(jìn)口事故檢修門擋水，檢修門上游為相應(yīng)水頭的靜水壓力，檢修門后無水壓力。根據(jù)設(shè)計(jì)施工資料計(jì)算得到壩體溫度場(泄水時(shí)孔內(nèi)為孔口庫水溫邊界，檢修時(shí)孔內(nèi)是氣溫邊界)，進(jìn)而計(jì)算出溫度引起的初應(yīng)變，而后求得相應(yīng)的初應(yīng)變引起的等效結(jié)點(diǎn)溫度荷載，最后按通常的求解應(yīng)力方法求得溫度應(yīng)力。

表1 荷載組合表

3 表孔對壩體應(yīng)力影響分析

通過對壩體開設(shè)表孔及不開孔模型有限元計(jì)算成果進(jìn)行對比分析可知：壩頂開設(shè)表孔后，由于拱向作用被削弱，孔口周邊的X、Y、Z向應(yīng)力受到很大的影響。上、下游的孔口周邊均出現(xiàn)小范圍的X、Z向拉應(yīng)力；孔口附近的Y向應(yīng)力總的趨勢是壓應(yīng)力較無孔時(shí)有所減小，且越接近孔口降低越多，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力?？卓趥?cè)壁三向均出現(xiàn)大范圍的拉應(yīng)力，但其值不大；孔口角沿應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，Y、Z向壓應(yīng)力均有較大幅度的增加；孔口各向位移均略有增大?，F(xiàn)從開孔尺寸(不同寬度、高度)、孔口形式(水平梁、不連續(xù)牛腿)等方面分別進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)一步研究了表孔應(yīng)力變形分布及其對壩體應(yīng)力變形的影響。由于兩種工況下壩體應(yīng)力變形分布規(guī)律基本一致，故筆者僅對工況1下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 孔口寬度對壩體應(yīng)力變形影響分析

為了探討開孔寬度(孔口總寬度)對壩體應(yīng)力變形的敏感性分析，分別對壩頂開設(shè)3孔、5孔、7孔、9孔幾種情況進(jìn)行計(jì)算分析。每孔尺寸為13 m×17 m(寬×高)，孔之間設(shè)有閘墩，孔口總的寬度占頂拱弧長比例分別為8.36%，13.93%，19.5%，25.1%。各方案孔口關(guān)鍵部位的應(yīng)力值見表2。從計(jì)算成果分析可知，壩頂設(shè)置不同數(shù)目的孔口，對壩體下部的影響很小，隨著孔口寬度(總的寬度)的增大，壩體上部X、Z向位移逐步增大，而Y向位移基本不變。

開設(shè)不同數(shù)目孔口時(shí)，孔口周邊及附近應(yīng)力均有變化。5孔方案壩體上、下游面孔口周邊及孔口側(cè)壁的拉應(yīng)力值最大；表孔數(shù)目由3孔增加到5孔時(shí)，孔口周邊及附近的拉應(yīng)力略有增大；由5孔增到7、9孔時(shí)，拉應(yīng)力值逐步降低，但Y向應(yīng)力降幅很小。可見，總孔口寬度占頂拱弧長比例較小時(shí)，加大孔口寬度使得孔口局部的拉應(yīng)力值增大；但是，當(dāng)比例增到20%左右時(shí)，再增加總寬度，使得頂部拱圈進(jìn)一步被削弱，傳遞的力減小，孔口局部應(yīng)力反而開始降低。

3.2 孔口高度對壩體應(yīng)力變形影響分析

為了進(jìn)一步研究壩體表孔尺寸對壩體應(yīng)力變形分布規(guī)律的影響，以壩頂開設(shè)3孔的情況為例，分別計(jì)算孔口高度為7 m、12 m、17 m、22 m四種方案的壩體及表孔局部應(yīng)力變形分布，各方案孔口關(guān)鍵部位的應(yīng)力值見表3。從計(jì)算成果可知，改變表孔的孔口高度對壩體下部的影響很小。隨著孔口高度的增大，壩體上部X、Y、Z三向位移均逐步增大，但最大值出現(xiàn)的部位一致?？卓诟叨葹?2 m時(shí)壩體位移最大，X、Y向拉應(yīng)力最大，Z向壓應(yīng)力最大，而孔口高度為7 m時(shí)，Z向拉應(yīng)力最大(1.5 MPa)。

孔口高度由7 m漸變?yōu)?2 m時(shí)，孔口局部應(yīng)力變化趨勢為X、Y向應(yīng)力略有增大，Z向應(yīng)力減小，Y向拉應(yīng)力區(qū)域分布位置變化很大。當(dāng)孔口高度與壩高之比達(dá)到一定程度(22/250=8.8%)時(shí)，進(jìn)一步增加孔口高度，Y向拉應(yīng)力仍有增加，但X、Z向拉應(yīng)力基本不變。

表2 不同孔口數(shù)目時(shí)孔口關(guān)鍵部位應(yīng)力值表 /MPa

注：壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。

表3 不同孔口高度時(shí)孔口關(guān)鍵部位應(yīng)力值表 /MPa

注：壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。

3.3 孔口形式對壩體應(yīng)力變形的影響分析

表孔流道、上下游懸臂、閘墩、水平大梁、不連續(xù)牛腿等區(qū)域的應(yīng)力變形是設(shè)計(jì)中極為關(guān)注的問題，關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、孔口配筋、體型優(yōu)化等，不同孔口形式勢必影響到孔口及周邊應(yīng)力變形的分布。筆者分別以水平梁式孔口方案和不連續(xù)牛腿式方案為例對此進(jìn)行探討。

設(shè)置水平梁及閘墩后，表孔邊墩側(cè)壁的X、Y向拉應(yīng)力大幅度增加，主要分布于邊墩與水平梁交接部位的上游及下部，X向最大拉應(yīng)力為3.5 MPa，Y向最大拉應(yīng)力為2.5 MPa；下游懸臂與邊墩交接處外側(cè)Y向拉應(yīng)力增大，最大拉 應(yīng) 力 為

1.9 MPa；Z向應(yīng)力變化較小。表孔其余部位應(yīng)力變化不大。與水平梁方案相比，不連續(xù)牛腿方案的邊墩過流側(cè)壁X向應(yīng)力降低，由3.5 MPa減小到2.7 MPa，且拉應(yīng)力區(qū)下移；Y向拉應(yīng)力明顯降低，最大拉應(yīng)力由2.5 MPa減小到1.7 MPa，且拉應(yīng)力區(qū)域明顯減小，主要分布于牛腿與邊墩交接處及牛腿下部；邊墩進(jìn)、出口外側(cè)壁的Y向拉應(yīng)力明顯增大，最大拉應(yīng)力為2.9 MPa，比水平梁方案增大1 MPa。可見，兩種方案各有優(yōu)越性及不足，應(yīng)根據(jù)泄水、交通、金結(jié)安裝等要求綜合考慮采用。

4 結(jié) 語

研究結(jié)果表明：拱壩壩頂開設(shè)表孔及增設(shè)水平梁和閘墩對壩體應(yīng)力變形影響是局部的，主要集中在孔口周邊及附近，而對壩體的下部幾乎沒有影響。這是由于孔高與壩高之比(17 m/250 m)較小之故，僅為0.07。增設(shè)弧門支撐結(jié)構(gòu)及閘墩增加了孔口附近壩體的厚度，能緩解孔口周邊的應(yīng)力狀態(tài)，明顯改善了孔口對壩體的削弱作用，但表孔邊墩側(cè)壁的X、Y向拉應(yīng)力大幅度增加，水平梁上產(chǎn)生了一定的應(yīng)力集中，孔口周邊強(qiáng)度需進(jìn)一步加強(qiáng)，水平梁及不連續(xù)牛腿方案各有優(yōu)勢，在滿足泄水、交通、金屬結(jié)構(gòu)安裝要求的前提下，有待進(jìn)一步優(yōu)化表孔結(jié)構(gòu)形式，改善應(yīng)力狀態(tài)。

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