折线坡建基面上的重力坝的应力分析

折线坡建基面上的重力坝的应力分析

吝江峰

河海大学水利水电学院，南京（210098）

E-mail：linjf0215@

摘要：为了更好地适应坝基地质条件，减小坝基开挖量，或为了提高坝的抗滑稳定性，有时将坝的建基面设计成倾角折坡面。本文采用ANSYS结构分析软件，对某一折线坡建基面上的混凝土重力坝进行有限元应力分析，研究了不同倾角对坝体应力、坝踵应力、坝趾应力的影响，由此得出一些有益结论，可供设计参考。

关键词：混凝土重力坝；倾角折坡面；坝体应力

中图分类号：TV10.3

1.引言

在混凝土重力坝工程设计中，为了更好地适应坝基地质条件，开挖困难或减小坝基开挖量，或为了提高坝的抗滑稳定性，故有时将坝的建基面设计成带有倾角折坡面。所谓折线坡建基面，一般是坝踵部分的建基面是水平面，其下游部分建基面根据地基地质条件可设计为一个或两个的倾角斜坡面。这样，坝的整个建基面就是一个折线坡面。

重力坝的应力分析的理论计算为材料力学法和弹性理论法。材料力学法因其概念清楚计算简单而被广泛采用，但其计算结果靠近坝基部分则不能反映地基变形对坝体应力的影响；对较复杂的的边界和坝坡转折部位也不能准确反映其应力状态[1]。

所以本文采用弹性理论的有限单元法来计算坝体应力，其方法是把弹性的连续体离散化为有限数目单元的组合体，并考虑组合体内单元之间的位移连续条件，它能够综合考虑各种影响因素的作用。在这种方法的基础上，迄今已开发了多种有限元软件，其中ANSYS程序是一个功能强大而灵活的有限元结构分析软件。本文就利用ANSYS对缓折坡建基面进行应力分析。

2.设计参数及分析方法

某具有缓折坡建基面混凝土重力坝，计算断面及作用水位和淤沙高程如图1。坝基密度2.7 g／cm3，弹性模量55.8GPa，泊松比0.25；坝体混凝土密度2.5 g／cm3，弹性模量31GPa，泊松比0.167，帷幕中心至坝踵13m，该点渗透压力折减系数0.3，不计浪压力的影响[4]。

图1 计算断面示意图水平段长度x(m)斜坡面的坡比N

0 1：7.37

30 1：5

42.67 1：4

表1 水平段长度与坡比的值

实际的混凝土重力坝的坝轴线往往较长，对于离开坝肩较远的坝段，按平面应变问题进行分析计算，得出的结果与实际情况很接近。为方便计算，可将三维坝体模型简化成二维平面应变模型。本文就采用二维平面应变模型；为了考虑坝基对坝体的影响，在ansys 中取坝体的上、下游地基各1.5倍坝高即195m 和坝底坝基取2倍的坝高即260m 来建立模型。

本文主要研究的是：假定坝踵和坝趾处的高程已知并且不变，不同水平x 段以及对应坡比的斜坡面下坝踵和坝趾的应力问题，其取值根据表1选取。

3. 有限元模型的建立

坝体及坝基有限元分析采用ANSYS 单元库中PLANE42单元，它可用作平面应变单元，有4个节点，每个节点有两个自由度（x 和y 向位移，坐标系x 轴正向指向下游，y 轴正向指向坝顶），其形状如图2所示。在ANSYS 中建立模型并选用四边形映射网格划分。剖分后的网格图如图3所示。

图4 竣工期坝体代表性截面垂直正应力

图2 PLANE42单元形状

4. 折线坡建基面重力坝应力分析

4.1竣工期坝体的应力比较

现分别取坝基面处、坝高42m 、和坝高82m 处三个代表性截面，分析具有不同倾角对坝体应力的影响，并与水平建基面重力坝的的应力情况做对比。为方便只考察三个截面上垂直正应力y σ，如图4所示。

1、在竣工期不同倾角下的坝基面坝趾均没有出现拉应力，它们均符合规范[3]的要求。

2、坝基面处，不同倾角下坝基面中间部分坝体垂直正应力y σ趋于一致，对坝踵处的的应力有一定的影响。随着水平段x 的增大（倾角的增大），坝踵的压应力有所减小(倾角为1：4比1：7的减小11.8%)；不同倾角对坝趾处应力影响甚微。

3、在坝高1/3以上，坝体垂直正应力y σ趋于一致，说明不同倾角对坝体应力只影响在坝基面附近

4、坝底面的最小应力不出现在坝趾，而是靠近坝趾处，说明材料力学的假定与实际情况不相符。在坝高2/3以上，下游坝面会出现一定的拉应力（大小为0.04Mpa ），施工时应多加注意。

4.2运行期坝体的应力比较

运行期也分别取坝基面处、坝高42m 、和82m 处三个代表性截面，也与水平建基面重力坝的的应力情况做对比，三个代表截面上垂直正应力y σ如图5所示。

由图5分析可知：

1、在运行期不同倾角下的坝基面坝趾均没有出现拉应力，它们均符合规范[3]的要求。

图5

运行期坝体代表性截面垂直正应力

σ趋于一致，既不同倾角对坝体应力的影响甚微。

2、在坝高1/3以上，坝体垂直正应力

y

3、坝基面处，坝基面为水平时坝踵的压应力最小（0.22Mpa），该处的坝应力相差8.3%到16.7%，水平坝面应力与具有倾角坝面相比应力相差高达27.3%，说明不同倾角对该善坝踵的拉应力有一定的作用。不同倾角对坝趾处的应力有一定的影响：随着水平段x的增大（倾角的增大），坝踵的压应力有所增大(倾角为1：4比1：7的增大6.5%)，但不是很明显，但与水平坝基面相比它们的压应力均有所减小。

4、在水平段与倾角斜坡面段连接处存在一定的应力集中。

5. 结语

综上所述，可以得出一些结论，以供设计参考：1、不同倾角对坝体应力的影响只在坝底面附近，对坝踵和坝趾的应力也有一定有影响，所以在建设混凝土重力坝时要选择合适的倾角建基面。2、有倾角坝基与水平坝基面相比，不论是在竣工期还是施工期对于改善坝踵和坝趾的应力有较大的作用，所以在建设混凝土重力坝时，尽可能选择具有倾角的坝。3、对于倾角建基面的重力坝，在水平段与倾角斜坡面段存在一定的应力集中。4、竣工期坝内最小应力和运行期坝内最大压力不在坝坝趾处，而在靠近坝趾处，应在设计时给予考虑。

参考文献

[1]左东启，王世夏，林益才．水工建筑物[M] ．南京：河海大学出版社，1995．

[2]刘涛，杨凤鹏等.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3] SL319-2005，混凝土重力坝设计规范[S]．北京：水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，

2005．

[4]廖华云．.缓折坡建基面上的重力坝抗滑稳定计算方法研究[J]．红水河，2005，第24卷第4期：86-88

Study on stress of concrete gravity dam with different slope

angle base.

Lin JiangFeng

College of Water Conservancy & Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing （210098）

Abstract

In order to better adapt geological conditions, decreased excavation or higher dam stability against sliding, sometimes the dam construction base designed to the slope angle base. Using ANSYS structural analysis software, this paper makes FEM studies on stress of concrete gravity dam with different slope angle base. Analysis of different inclination to relieve stress dam, dam heel stress, which draw some useful conclusions

Keywords：Concrete gravity dam，Slope angle bas，Dam stress

作者简介：吝江峰，男，1980年生，河南三门峡人，硕士研究生，主要研究方向是水工结构工程。