拱壩縱向縫（平行于壩軸線）面上的應力研究

鄒 爽

（貴州大學土木工程學院，貴陽 550003）

拱壩縱向縫（平行于壩軸線）面上的應力研究

鄒 爽

（貴州大學土木工程學院，貴陽 550003）

對于除險加固工程，拱壩需要進行加厚處理時，就產生了一條縱縫（即新老壩體交界面），傳統(tǒng)的計算方法沒法考慮這一縱縫。結合某一實際病險水庫工程，用三維有限元法（ANSYS）計算了壩體加厚后縱縫上的應力分布情況，進而確定具體的新老壩體接縫上的除險加固方案。

應力分布；有限單元法；拱壩；加厚

拱壩因壩體較薄，一般只設橫縫，不設縱向縫，只有當壩體厚度超過40 m才考慮設縱縫，所以對于新修壩體一般都沒有縱縫。但是，對于除險加固工程，因原來的壩體較單薄，需加厚，這時就產生了一條縱縫（平行于壩軸線）。目前常用的拱壩計算方法（拱梁分載法[1～2]），不能考慮到這條縫，也沒法計算出這條縫上的應力分布情況。采用三維有限元法，可以計算出縱向縫面上的應力分布情況。進而可以根據縫上的應力分布情況確定具體的新老壩體接縫上的除險加固方案。

1 工程概況

某病險水庫大壩，為漿砌石拱壩，最大壩高27.5 m，原壩體壩頂厚度為2.0 m，壩底厚度為4.0 m。因壩體應力穩(wěn)定均不滿足規(guī)范要求，需對壩體進行加固處理。采取了上游面加厚方案，壩頂加到3.0 m，壩底加2.5 m，即壩底厚度變?yōu)?.5 m，加厚部分的材料均用混凝土。

2 模型的建立

壩體加厚部分要單獨建體，輸入和壩體不同的材料特性參數（如彈模、線膨脹系數和泊松比）。加厚部分全部用混凝土材料。在拱壩的計算中，要加上基巖部分，從建基面向前后左右及向下各取40 m高（約1.5倍壩高）。

整個計算模型共31 056個單元，36 666個節(jié)點；原壩體單元共4 320個，節(jié)點6 076個；加厚部分單元共2 880個，節(jié)點8 835個；基礎共23 856個單元，節(jié)點21 755個。

拱壩三維網格劃分圖見圖1。

圖1 拱壩三維網格圖

3 計算成果及分析

3.1 計算條件

計算了正常蓄水位情況和校核洪水位兩種工況，結果顯示正常水位情況是控制性的，因此本文只敘述正常蓄水位情況的計算結果。

正常蓄水位情況：水壓力、泥沙壓力、壩體自重、溫降。

3.2 應力計算結果及分析

壩體及縱縫上的最大應力值見表1。

從表1的計算結果可看出，加厚后，壩體最大拉應力較大，為2.56 MPa，出現在拱冠梁底上游面；縱縫上（新老壩體交界面上），新壩體出現了較大的拉應。力數值為2.00 MPa，原壩體最大拉應力較小，僅為0.61 MPa，新老壩體出現最大拉應力的位置相同，都位于左拱端壩頂處；壩體壓應力均較小，最大值僅為-2.29 MPa，出現在拱冠梁底下游面，縱縫上，原壩體的最大壓應力為-0.74 MPa，新壩體上的最大壓應力為-1.18 MPa。從圖2縱縫上的應力分布圖可看出，縫面上第一主應力均為拉應力，且新壩體上的拉應力還較大，最大值為2.00 MPa，位于左拱端壩頂，兩壩肩的拉應力也較大，最小值也有0.7 MPa。所以，實際工程設計中需先計算出縫面上的應力分布情況才可以給出具體的加固設計方案。

有了縫面上的應力分布圖，實際設計中就可以根據縫面上的應力大小進行除險加固設計。

（說明：以上的應力結果有超出規(guī)范值的，屬于有限元法的應力集中現象，用有限元等效應力法[3]計算后應力均能滿足規(guī)范要求。）

圖2 縱縫上的應力分布圖

表1 大壩應力表 MPa

4 結論

（1）本文采用有限單元法（ANSYS）[4]進行計算，計算出加厚后的壩體應力及縱縫上的應力分布情況；

（2）從輸出的結果圖中可清晰地反映出壩體應力及縱縫上的應力分布情況，從計算結果來看，縱縫上的的拉應力較大，第一主應力均為拉應力，且新壩體上出現了較大拉應力；

（3）在進行拱壩加厚時，應該先計算出縫面上的應力分布，進而可以根據縫上的應力分布情況確定具體的新老壩體接縫上的除險加固方案。

[1] SL25-2006，砌石壩設計規(guī)范[S].

[2]SL282-2003，混凝土拱壩設計規(guī)范[S].

[3] 朱伯芳.拱壩的有限元等效應力及復雜應力下的強度儲備[J].水利水電技術，2005（1）:43-47.

[4] 宋 勇，艾宴清，梁 波，等.精通ANSYS7.0有限元分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

（責任編輯：劉征湛）

Study of stress along longitudinal seam of arch dam ZOU Shuang

（College of Civil Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China）

When a arch dam is reinforced by thickening,a longitudinal seam parallel to dam axis forms between the old dam body and new dam body.It is impossible to take into account this longitudinal seam by traditional calcula?tion method.Combined with the calculation for a real reservoir reinforcement project with thickening of dam body,the author presented the calculation of stress distribution along this longitudinal seam that was conducted by finite element method（ANSYS）,based on which the consolidation scheme for this seam can be designed.

Stress distribution;finite element method;arch dam;thickening

TV642.4

B

1003-1510（2016）01-0029-02

2015-12-21

鄒 爽（1975－），女，貴州盤縣人，貴州大學土木工程學院副教授，碩士，從事水工結構研究。