基于ANSYS軟件的某重力壩靜動力特性分析

翟昌楠

(阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 阿勒泰 836500)

作為水利資源的重要水工調(diào)控設(shè)施，大壩穩(wěn)定性研究是水利工程建設(shè)中尤為重要的方面，而我國作為受地震災(zāi)害最嚴重的國家之一，大壩這類重要水利工程不可忽視抗震能力研究，故當(dāng)前結(jié)合靜動力分析大壩穩(wěn)定性，已成為準(zhǔn)確評判工程安全穩(wěn)定性重要舉措[1-3]。已有許多學(xué)者基于水工模型試驗，在室內(nèi)開展大壩這類水工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性或滲流破壞性研究[4-6]；亦有一些學(xué)者基于振動臺模擬地震動試驗，研究壩體抗震穩(wěn)定性，并提出一些理論模型計算壩體動力特征[7-10]。通過數(shù)值有限元軟件在當(dāng)前水利工程中較為普遍，在數(shù)值軟件中引入動力反應(yīng)譜等理論，系統(tǒng)化模擬大壩靜動力反應(yīng)特性，進而評估大壩穩(wěn)定性，較為高效率[11-13]。本文將基于某重力式大壩開展建模分析，探討靜動力協(xié)同分析流程，為評價壩體靜動力穩(wěn)定性提供參考。

1 工程概況

某水電站是集調(diào)運水力資源、提供電力資源，防洪排澇等重要功能的樞紐水利工程，以混凝土重力式大壩為主體修建，并配備有消力池、泄洪孔及其他發(fā)電廠房設(shè)施等重要水工結(jié)構(gòu)。庫容超過10億m3，蓄水位達到1 580 m，校核水位為1 582.5 m，所修建大壩設(shè)計高程為1 590 m，壩址區(qū)內(nèi)最大高差為205 m，上、下游坡度分別為0.2、0.75。大壩防滲措施采用灌漿與防滲墻結(jié)構(gòu)，灌漿利用C30素混凝土，固結(jié)基巖上覆蓋層，防滲墻厚度為60 cm，插入基巖層，抑制壩體滲漏量；在壩體兩側(cè)與岸坡一體式修建有翼墻，留有放空底孔，保證水電站6個機組年發(fā)電量達到80億kW·h，圖1為水電站上游立面圖。

圖1 水電站上游立面圖

根據(jù)地質(zhì)勘察資料表明，壩址區(qū)位于河流沖積平原緩沖地帶，分布有第四系堆積土、中元古界花崗巖及部分較新年代的淡黃色灰?guī)r，第四系堆積土層厚度約有4.5～10.7 m，包括有年代最新的人工搬運填土層、厚度約4.3 m的粉質(zhì)壤土堆積層，細砂與圓礫交織的河流沖擊作用下形成的沖積土層，含水量高達63%，可塑性，礫石含量達10%，礫石粒徑以2～5 mm為主現(xiàn)場標(biāo)貫實驗表明，基巖上覆蓋土層為不可液化，但各土體滲透系數(shù)均較高，屬中高等滲透性土，室內(nèi)土工試驗表明覆蓋層孔隙比平均值為2.145。基巖鉆孔取樣室內(nèi)XRD分析表明，花崗巖屬中粗粒徑，抗風(fēng)化作用較強，含有二長石等礦物，外表面孔隙幾乎不可見，最大埋深達1 500 m，標(biāo)準(zhǔn)承載力可達350 kPa。地下水位在壩基上部2.3 m，受河水補充水源，取樣地下水得知，水質(zhì)較中和，不含酸堿性元素，故對金屬工程材料傷害性較弱。

2 重力式大壩靜力分析

2.1 模型建立及外參數(shù)

以壩體區(qū)段中相鄰的10、11號為非溢流重力壩段，兩個區(qū)段具有較為典型代表區(qū)段，開展分析，且兩個區(qū)段壩頂高程均為1 620 m，利用ANSYS數(shù)值軟件，建立該區(qū)段內(nèi)壩體模型，如圖2所示。研究區(qū)段10、11號壩體長均為25 m，水流溢出面寬度為21 m，11號重力壩段上游基準(zhǔn)面高程相比10號高出23 m，兩個壩體段均選用SOLID65單元體作為基本微單元體，分別劃分出單元網(wǎng)格15 828、16 245個，節(jié)點數(shù)13 782個、14 178個。下覆基巖及上覆蓋層物理參數(shù)采用室內(nèi)土工試驗所獲得的彈性模量、抗剪參數(shù)及強度參數(shù)值。

邊界荷載包括有壩體自重、水頭壓力、上揚壓力、淤泥沖力，其中壩體自重參照混凝土材料容重計算即可；水頭壓力與各工況下上下游水頭值有關(guān)，本文將分析正常蓄水位、設(shè)計水位、洪水校核位；上揚壓力計算幾何模型如圖3所示，不考慮抽排影響[14]；淤泥沖力按照式(1)計算出淤泥沖力。建立數(shù)值模型之后，自重荷載作為基準(zhǔn)邊界條件施加在工況一中，后續(xù)工況二～四分別逐漸增加正常蓄水位、上揚壓力、淤泥沖力三種邊界荷載。

(1)

式中：Fs指淤泥沖力；γs指淤泥容重；hs指淤泥厚度；φ指淤泥內(nèi)摩擦角。

圖2 數(shù)值計算模型圖

圖3 上揚壓力計算示意圖

2.2 靜力分析

針對10號與11號壩體研究模型，選擇壩體重要結(jié)構(gòu)部分，涵蓋有壩踵、壩頂、壩身及其它連接點開展靜力狀態(tài)下應(yīng)力變形分析，各重要節(jié)點部位如圖4所示。

圖4 壩體重要結(jié)構(gòu)點部位圖

2.2.1 位移特征

圖5為10、11號壩體各重要結(jié)構(gòu)部位水平位移與豎向位移曲線圖，從圖5中可看出，10號壩體研究區(qū)段內(nèi)，工況一下最大水平位移為3.65 mm，位于壩頂C處，在壩踵與壩肩平臺處水平位移量最小，即工況一水平位移在壩體中呈倒“V”字分布。工況二至工況四，邊界約束荷載增加，水平位移逐漸由壩頂集中往兩側(cè)壩踵、壩肩或壩趾處擴散，工況二下最大水平位移為3.37 mm，壩踵與壩趾部位水平位移均超過1 mm，相比工況一提升幅度1個量級之多，分析是由于水頭壓力影響，導(dǎo)致在浸潤線以下壩體結(jié)構(gòu)部位產(chǎn)生較大水平位移，四個工況中位移變化趨勢均呈一致性，即倒“V”字分布。10號壩體工況一豎向位移最大值為3.93 mm，屬四個工況中最大豎向位移，隨各工況中疊加入水頭壓力、上揚壓力，最大豎向位移逐漸遞減，減小幅度為37%～45%，根據(jù)受力分析可知，上揚壓力與淤泥沖力均會一定程度削弱自重荷載，減弱豎向沉降變形。11號壩體水平向位移在大壩各節(jié)點變化趨勢號與10號一致，但除工況一以外，工況二～工況四最大水平位移僅有10號壩體的56%～62%，且相比11號壩體工況一，工況二～工況四最大水平位移不僅改變了變形方向，且量值亦降低了5%～40%。

圖5 各結(jié)構(gòu)部位水平、豎向位移曲線圖

圖6、圖7為兩壩體位移分布云圖。從圖中可看出，10號壩體工況一沿著壩趾至壩頂，水平位移量逐漸增大；豎向位移雖亦是沿著壩頂逐漸升高，但工況一下10號壩體豎向位移分布傾向于上游迎水測。11號壩體工況一水平、豎向位移分布形態(tài)與10號壩體一致，僅在量值上存在差異，此與前述分析重要節(jié)點位移量同理。10、11號壩體工況四水平位移分布有相似性，壩頂處位移量較大，壩趾、壩肩位移量沿壩頂層次性增長，相比于工況一豎向位移向上游傾斜，工況四下10、11號壩體均向下游傾斜，考慮工況四增加了上揚壓力與淤泥沖力，分析是由于上游淤泥沖力與上揚壓力引起下游側(cè)應(yīng)力較集中，沉降增大。

圖7 11號壩體水平、豎向位移云圖

2.2.2 應(yīng)力特征

圖8為10、11號壩體各重要結(jié)構(gòu)點第一主應(yīng)力變化曲線，10號壩體在工況一下不產(chǎn)生拉應(yīng)力的，不論是10號壩體亦或是11號壩體，工況四均產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，兩區(qū)段壩體在工況四下最大拉應(yīng)力分別為1.206、0.928 MPa，位于壩踵A點處，且工況二、三拉應(yīng)力亦是集中在壩踵A點處，表明壩體在壩踵區(qū)域處易產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞，應(yīng)采取一定防范措施。10號壩體最大壓應(yīng)力為工況一壩踵處，達1.218 MPa，工況二～工況四最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在下游側(cè)，表明壩體受到蓄水壓力影響，壓力水頭由上游側(cè)轉(zhuǎn)移至下游側(cè)，且隨著考慮上揚壓力、淤泥沖力，最大壓應(yīng)力增大，工況四最大壓應(yīng)力達1.199 MPa，分別為工況二、工況三的1.2倍、1.1倍。11號壩體區(qū)段最大壓應(yīng)力分布特征與10號壩體一致，其最大壓應(yīng)力為1.169 MPa，屬工況四下游側(cè)E點，量值相當(dāng)于10號壩體同工況同位置處。

圖8 各結(jié)構(gòu)部位應(yīng)力值曲線圖

圖9為計算獲得壩體第一、第三主應(yīng)力特征參數(shù)分布云圖。對比可發(fā)現(xiàn)，工況一下第一主應(yīng)力中幾乎不存在拉應(yīng)力區(qū)域，僅10號壩體遠離壩踵緩沖平臺處出現(xiàn)較小區(qū)域拉應(yīng)力，僅為0.35 MPa，壩身其他結(jié)構(gòu)處均處于受壓區(qū)；工況四第一主應(yīng)力特征云圖中亦是拉應(yīng)力幾乎不存在。相比第一主應(yīng)力，第三主應(yīng)力特征云圖中受拉區(qū)明顯增多，10、11號壩體在工況一第三主應(yīng)力特征云圖中拉應(yīng)力集中于下游側(cè)與上游壩踵平臺處，兩壩體區(qū)段在工況四中的拉應(yīng)力集中在上游側(cè)與上游壩踵平臺，由此可見，工況四增加水頭壓力、上揚壓力和淤泥沖力后，上游側(cè)壩頂至壩身部分區(qū)段內(nèi)更易產(chǎn)生較多拉應(yīng)力。

3 重力式大壩動力分析

作為重要樞紐工程，必然在強地震作用下需要有一定的抗擊能力，因而，本文將利用模態(tài)分析法對大壩動力響應(yīng)開展分析，限于篇幅，以壩體振型演化作為動力響應(yīng)特征?；贏NSYS模態(tài)分析，針對10、11號壩體以附加質(zhì)量法與流固耦合理論分別建立分析模型，進而計算獲得多階態(tài)下無蓄水與正常蓄水下壩體振型云圖(圖10、圖11)與自振頻率(圖12)，自振云圖本文只列出第1、4、6階態(tài)。

從圖12中可看出，在第1～10階態(tài)中10號壩體附加質(zhì)量法模型中最大自振頻率為10.256，為第10階模態(tài)，且隨計算階態(tài)增大，自振頻率逐漸增大，相比無蓄水狀態(tài)下，蓄水工況下不論是附加質(zhì)量法亦或是流固耦合理論模型，自振頻率均較前者低，降低幅度為2.2%～46.7%，分析是由于蓄水狀態(tài)下受水動力影響，阻尼系數(shù)受到附加質(zhì)量增大影響，導(dǎo)致自振頻率降低。11號壩體無蓄水狀態(tài)下第10階態(tài)自振頻率為22.35，是10號壩體的1.2倍，在蓄水位工況下，附加質(zhì)量與流固耦合法模型所計算出的自振頻率均高于10號壩體，分析是由于11號壩體的壩基上覆填土厚度相比10號壩體少了3.5 m，故11號壩基剛度受土層阻尼放大系數(shù)影響較弱，剛度相對較強，故不論是有、無蓄水工況自振頻率均處于較高水平。從振型分布特征來看，10、11號壩體附加質(zhì)量法模型計算第1階態(tài)壩頂處分布較大頻率值，但在第4、6階態(tài)中壩頂處逐漸減弱，且壩身逐漸分布較小振動頻率，表明隨著計算階態(tài)增多，壩頂處頻率解愈趨于收斂。對比附加質(zhì)量法與流固耦合法模型計算振型圖，第1階態(tài)結(jié)構(gòu)呈一致性，第4階態(tài)結(jié)果具有一定相似性，在壩身處振型云圖有一定偏差，但分布形態(tài)相似，兩者第6階態(tài)計算結(jié)果差異性顯著，表明計算階態(tài)增大，不同計算模型模擬同工況的云圖結(jié)果差異性會增大。

圖9 第一、三主應(yīng)力特征參數(shù)分布云圖

圖10 10號壩體部分階態(tài)振型分布云圖

4 結(jié) 語

針對某水電站樞紐水利工程，利用ANSYS建立數(shù)值模型，分析重力式大壩不同工況下靜、動力特性，獲得了以下幾點結(jié)論與認識：

1)獲得了各工況中10、11號壩體水平位移呈倒“V”字分布，壩頂處位移量最大；工況一最大豎向位移3.93 mm，豎向位移隨約束荷載增加，逐漸遞減，減小幅度為37%～45%；兩壩體工況一豎向位移在上游側(cè)比重占比更大，工況四傾向于下游側(cè)，而水平位移一致由壩趾增大至壩頂。

2)分析了10、11號壩體工況四均為各工況中第一主應(yīng)力的最大拉應(yīng)力值，分別為1.206、0.928 MPa；兩壩體第三主應(yīng)力分布呈一致性，且各工況中最大壓應(yīng)力隨附加荷載逐漸由上游轉(zhuǎn)移至下游側(cè)壩身。

3)研究了10、11號壩體動力特性，10號壩體附加質(zhì)量模型中最大自振頻率為10.256，蓄水工況下自振頻率顯著低于無水狀態(tài)，減小幅度為2.2%～46.7%；隨計算階態(tài)增多，壩頂處頻率解愈趨收斂，且不同計算模型模擬同工況的分布振型差異性亦顯著。

圖11 11號壩體部分階態(tài)振型分布云圖

圖12 自振頻率曲線圖