重慶合川某小型橡膠壩結(jié)構(gòu)安全計(jì)算研究

◇重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計(jì)研究院 曾貝佳

橡膠壩表面設(shè)有溢流孔，方便切換攔水和阻水狀態(tài)，同時(shí)橡膠壩自重小，方便施工，容易維修和拆除，是小型水利樞紐中最適宜的建造方式之一。同時(shí)，橡膠壩由于自重小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不如重力壩等其他壩體結(jié)構(gòu)。因此，在設(shè)計(jì)橡膠壩時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性是其重中之重。在此背景下，本文以重慶合川某小型橡膠壩為例，借助三維有限元計(jì)算模型，詳細(xì)研究了橡膠壩在最不利運(yùn)營工況下的受力、位移分析，為實(shí)例工程的可行性提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)例工程概況及基本條件介紹

1.1 橡膠壩概況

橡膠壩自重小，方便施工，一般用于擋水水深小于10 m，上下游水頭差小于5 m的小型水利工程。考慮到本文研究目的是分析橡膠壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)合橡膠壩的實(shí)際特點(diǎn)以及筆者掌握的可供計(jì)算的研究實(shí)例，本文選擇重慶合川某小型橡膠壩為實(shí)例工程。

該工程位于重慶合川尉河水庫，距離合川市區(qū)約38.5 km，主體結(jié)構(gòu)為鋼混結(jié)構(gòu)。壩體總長為75.35 m，壩室段分為前后兩部分，共14.8 m（7 m+7.8 m）；上下游連接段分別長為35 m與38 m。壩頂高程為565.30 m，建筑物級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

1.2 特征水位

經(jīng)過對(duì)工程區(qū)域近十年的水文資料分析驗(yàn)算，工程區(qū)域的常水位為557.35 m，20年一遇的防洪水位為563.55 m，對(duì)應(yīng)的洪水流量為9.75 m3/s；20年一遇的低水位為549.65 m。

2 模型建立

2.1 三維有限元模型建立

常用的三維有限元軟件有ANSYS、邁達(dá)斯-GTS等。考慮到模型的穩(wěn)定性、計(jì)算精度以及本實(shí)例工程的特征狀態(tài)，本文選擇ANSYS作為研究軟件。本文建立的三維模型如圖1所示，其中橡膠壩截面采用設(shè)計(jì)方案的螺線曲面，網(wǎng)格劃分采用正方形網(wǎng)格，間距取3 m～5 m。

圖1 三維模型建立及整體網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算工況分析

結(jié)合實(shí)例工程的水文分析、設(shè)計(jì)圖紙等資料，本工程最不利工況為下游斷流狀態(tài)下，工程前沿?fù)跛叨葹?.0 m?？紤]到做幾組對(duì)比工況進(jìn)一步復(fù)核實(shí)例工程的穩(wěn)定性，因此本文共設(shè)計(jì)了四組工況，均是在下游斷流狀態(tài)下；上游壩前的水深值依次取0～4 m，計(jì)算步長間距為1 m，依次記為工況一至工況五。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 壩體應(yīng)力分布

工況1至工況5下的應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果與應(yīng)力分布云圖分別見表1與圖2。

表1 各工況下應(yīng)力大小統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 各工況下應(yīng)力分布結(jié)果（考慮到篇幅原因，云圖只列出工況1與工況5的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果）

（1）在各工況下，實(shí)例工程的最大應(yīng)力受力位置主要在右岸側(cè)的錨固點(diǎn)，在壩前水深為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m的工況下，最大應(yīng)力依次為9.49 MPa、9.48 MPa、9.33 MPa、8.88 MPa、7.54 MPa，依次遞減。

（2）各工況下，最大應(yīng)力為9.49 MPa，小于設(shè)計(jì)要求的18.0 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）X方向應(yīng)力及Y方向受到的應(yīng)力隨水深變化的趨勢一致，均是隨著水深增大呈正單調(diào)遞減的狀態(tài)。

3.2 壩體位移分析

工況1至工況5下的位移分布計(jì)算結(jié)果與應(yīng)力分布云圖分別見表2與圖3。

表2 實(shí)例工程位移計(jì)算結(jié)果

圖3 各工況下位移分布結(jié)果（考慮到篇幅原因，云圖只列出工況1與工況5的位移計(jì)算結(jié)果）

（1）在各計(jì)算工況下，實(shí)例工程的最大豎向位移比較平均，在同一工況下，實(shí)例工程結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的任意兩個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的最大位移與最小位移的差值小于0.0000204 m。

（2）在各計(jì)算工況下，實(shí)例工程的最大橫向主要集中在壩頂和壩體上游臨水側(cè)。

（3）總體來看，在各工況下，實(shí)例工程的總體位移較小，結(jié)構(gòu)總體安全、可靠。

4 結(jié)論

本文借助ANSYS有限元計(jì)算模型，以重慶合川某橡膠壩為實(shí)例工程，對(duì)橡膠壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果顯示：

（1）實(shí)例工程的總體應(yīng)力、橫向應(yīng)力隨水深變化的趨勢一致，均是隨著水深增大呈正單調(diào)遞減的狀態(tài)。且在各最不利工況下，最大應(yīng)力為9.49 MPa，小于設(shè)計(jì)要求的18.0 Mpa，滿足設(shè)計(jì)要求

（2）總體來看，在各工況下，實(shí)例工程的總體位移較小，最大的位移僅0.0278 m，趨近于0，結(jié)構(gòu)總體安全、可靠。